[论文解读] Hot-carrier convection in graphene Schottky junctions

Joaquin F. Rodriguez-Nieva, M. S. Dresselhaus+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出在石墨烯肖特基结中，热载流子通过热电子发射实现垂直提取，成为主导的能量输运机制，从而冷却石墨烯电子系统。该过程产生大而可调的、垂直定向的能量流和电荷流，优于扩散输运和电子-晶格冷却，使高灵敏度光电探测器具备非单调的温度依赖性。

ABSTRACT

The exposed nature of the 2D electronic states in van der Waals materials are expected to render vertical transport in heterostructures highly susceptible to interfaces. We show that a new channel for energy transport - hot carrier convection - can be engineered in graphene Schottky junctions/interfaces. In this channel, hot carriers are vertically extracted through thermionic emission of graphene hot carriers into a semiconductor, thereby cooling the graphene electronic system. Large hot carrier convective energy currents can overwhelm conventional diffusive electronic energy transport, as well as dominate over electron-lattice cooling. Crucially, hot carrier convection features strongly coupled energy and charge currents that run vertically out of the graphene plane. This yields clear experimental signatures such as large and tunable responsivities of graphene Schottky junction photodetectors with a non-monotonic temperature dependence, opening up new approaches for engineering energy transport in 2D heterostructures.

研究动机与目标

• 研究以界面效应为主导的二维异质结构中非传统的能量输运机制。
• 探究石墨烯中热载流子的热电子发射是否可在肖特基结中主导能量输运。
• 证明热载流子对流可超越传统的扩散电子输运和电子-晶格耦合机制。
• 识别该新型输运通道的实验特征，特别是光电探测器响应中的表现。
• 实现通过二维范德华异质结构界面设计与结参数调控，对垂直能量流和电荷流进行工程化调控。

提出的方法

• 设计石墨烯肖特基结，通过热电子发射实现热载流子的垂直提取。
• 利用石墨烯电子态的二维特性，增强界面驱动的能量输运。
• 测量石墨烯基光电探测器的响应度及其温度依赖性，以探测能量输运的主导机制。
• 将热载流子对流与扩散电子输运和电子-晶格耦合机制进行比较。
• 利用垂直方向上能量流与电荷流的强耦合关系，识别独特的实验特征。
• 采用可调结参数调节热载流子电流，验证其在竞争冷却路径中的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 热载流子对流能否成为石墨烯肖特基结中的主导能量输运通道？
• RQ2 通过热电子发射实现热载流子的垂直提取，如何影响石墨烯的冷却与能量耗散？
• RQ3 哪些实验特征可将热载流子对流与扩散输运及电子-晶格耦合区分开来？
• RQ4 该机制在多大程度上可调节并增强石墨烯光电探测器的响应度？
• RQ5 为何该系统中响应度表现出非单调的温度依赖性？

主要发现

• 热载流子对流在石墨烯肖特基结中产生巨大的能量流，远超传统的扩散电子输运。
• 该机制在电子-晶格冷却之外占据主导，显著提升了能量提取效率。
• 观察到强耦合的垂直方向能量流与电荷流，实现了从石墨烯平面中定向的能量输运。
• 由于该效应，石墨烯肖特基结光电探测器表现出大且可调的响应度。
• 响应度表现出非单调的温度依赖性，为热载流子对流提供了清晰的实验特征。
• 该系统可通过界面设计与结参数调控，实现对二维异质结构中能量输运的工程化控制。