[论文解读] Asymmetric scattering of Dirac electrons and holes in graphene

Atikur Rahman, Janice Wynn Guikema+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Graphene research and applications参考文献 36被引用 3

一句话总结

本研究揭示，由于相对论性电子与空穴对短程杂质的散射行为不同，石墨烯pn结中的量子干扰噪声在狄拉克点附近表现出非对称性。与受电荷杂质主导的电导不同，噪声测量可直接探测相位相干散射过程，其中噪声最小值指示真正的电荷中性点，为研究石墨烯中狄拉克费米子散射提供了与STM和电导互补的新方法。

ABSTRACT

The relativistic nature of Dirac electrons and holes in graphene profoundly affects the way they interact with impurities. Signatures of the relativistic behavior have been observed recently in scanning tunneling measurements on individual impurities, but the conductance measurements in this regime are typically dominated by electron and hole puddles. Here we present measurements of quantum interference noise and magnetoresistance in graphene pn junctions. Unlike the conductance, the quantum interference noise can provide access to the scattering at the Dirac point:it is sensitive to the motion of a single impurity, it depends strongly on the fundamental symmetries that describe the system and it is determined by the phase-coherent phenomena which are not necessarily obscured by the puddles. The temperature and the carrier density dependence of resistance fluctuations and magnetoresistance in graphene p-n junctions at low temperatures suggest that the noise is dominated by the quantum interference due to scattering on impurities and that the noise minimum could be used to determine the point where the average carrier density is zero. At larger carrier densities, the amplitude of the noise depends strongly on the sign of the impurity charge, reflecting the fact that the electrons and the holes are scattered by the impurity potential in an asymmetric manner.

研究动机与目标

• 研究石墨烯pn结在狄拉克点附近的量子干扰噪声特性。
• 确定在最小电导区域，噪声是否由短程或长程无序主导。
• 解决无序石墨烯中电导最小值与真正电荷中性点之间的差异。
• 确立量子干扰噪声作为研究相对论性狄拉克费米子散射的电导和STM的互补探测手段。

提出的方法

• 在250 mK温度下，对双栅单层石墨烯器件进行低频电阻噪声和磁阻测量。
• 采用四探针结构以最小化接触效应，并隔离本征输运特性。
• 独立施加背栅和顶栅电压，调节电子和空穴密度，形成p-n-p和n-p-n结。
• 通过分析噪声功率和电阻涨落对温度和栅压的依赖关系，区分静态与动态无序的贡献。
• 将噪声行为与狄拉克系统中伪扩散输运和弱局域化的理论模型进行比较。
• 将噪声不对称性与短程散射体的STM数据相关联，以验证短程杂质的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在狄拉克点附近调节载流子密度时，石墨烯中的量子干扰噪声与电导的响应有何不同？
• RQ2 在无序石墨烯中，哪种无序类型——短程或长程——主导量子干扰噪声？
• RQ3 为何噪声最小值与电导最大值在石墨烯中不重合？这关于真正电荷中性点意味着什么？
• RQ4 石墨烯中狄拉克费米子的相对论性如何导致电子与空穴的散射不对称？
• RQ5 量子干扰噪声能否作为可靠探针，用于识别无序石墨烯中的真正电荷中性点？

主要发现

• 量子干扰噪声表现出非单调且非对称的栅压依赖性，其最小值与最大电阻不重合，表明具有不同的物理起源。
• 噪声最小值而非电导最小值，标示了平均载流子密度为零的真正电荷中性点。
• 噪声主要由短程杂质散射主导，这与电子液滴中短程散射体的STM观测结果一致。
• 噪声随栅压变化的不对称性反映了电子与空穴对同一短程势的散射振幅不同，这是相对论性狄拉克费米子行为的特征。
• 负磁阻在高载流子密度下持续存在，并与低温下噪声和电阻的增加相关，支持其与短程无序散射具有共同起源。
• 尽管杂质涨落随温度降低而减少，噪声随温度降低而增加，这证实了其源于相位相干量子干涉，而非经典热噪声。