[论文解读] Imaging the breakdown of ohmic transport in graphene

A. Jenkins, S. Baumann+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2020

Graphene research and applications被引用 22

一句话总结

本研究利用氮-vacancy (NV) 位阱磁力计直接成像石墨烯狭窄截面中的电流流动，发现在温度低于200 K时，电子输运从欧姆输运向黏性输运发生明显转变。电流集中区域从边缘向中心移动，证实了从扩散输运向由动量守恒的电子-电子散射主导的流体输运的过渡，为低温下高洁净度石墨烯中非欧姆行为提供了直接证据。

ABSTRACT

Ohm's law describes the proportionality of current density and electric field. In solid-state conductors, Ohm's law emerges due to electron scattering processes that relax the electrical current. Here, we use nitrogen-vacancy center magnetometry to directly image the local breakdown of Ohm's law in a narrow constriction fabricated in a high mobility graphene monolayer. Ohmic flow is visible at room temperature as current concentration on the constriction edges, with flow profiles entirely determined by sample geometry. However, as the temperature is lowered below 200 K, the current concentrates near the constriction center. The change in the flow pattern is consistent with a crossover from diffusive to viscous electron transport dominated by electron-electron scattering processes that do not relax current.

研究动机与目标

• 直接在纳米尺度观测石墨烯中欧姆定律的局域失效。
• 在高迁移率石墨烯器件中区分欧姆输运、弹道输运和流体输运三种输运机制。
• 研究由电子-电子散射驱动的从扩散输运到黏性输运的转变。
• 解析电子-电子散射在抑制低无序、低载流子密度石墨烯中电流弛豫过程中的作用。
• 通过空间分辨的电流成像验证理论预测的石墨烯中电子流体动力学行为。

提出的方法

• 采用扫描氮-vacancy (NV) 位阱磁力计，对具有狭窄截面的石墨烯器件上方的局部磁场进行测绘。
• 通过毕奥-萨伐尔定律将测得的磁场偏移转换为电流密度分布，从而重建出底层的电流流动行为。
• NV探针固定于石墨烯上方一定高度，通过与有限探针尺寸的卷积效应修正空间展宽的影响。
• 在不同温度（从298 K降至100 K）和载流子密度下进行测量，以调节电子-电子散射长度与平均自由程的相对关系。
• 采用两种几何结构——狭缝形和通道形——以比较边界散射的敏感性，并分离出流体输运的特征信号。
• 使用无参数的欧姆模型模拟电流分布，与实验数据进行对比，验证所观测到的输运机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 当温度降低时，石墨烯狭窄截面中的电流分布是否从边缘局域化（欧姆输运）转变为中心局域化（黏性输运）？
• RQ2 NV磁力计能否分辨高迁移率石墨烯器件中欧姆定律的局域失效？
• RQ3 电子-电子散射在抑制电流弛豫并促进流体输运中起何种作用？
• RQ4 边界散射和边缘效应如何在不同器件几何结构中影响电流分布？
• RQ5 所观测到的转变是否与由动量守恒的电子-电子碰撞主导的从扩散输运到黏性输运的过渡一致？

主要发现

• 在室温及电荷中性点附近，电流密度在截面边缘附近表现出双峰结构，与欧姆输运行为一致。
• 当温度降低至200 K以下时，电流密度分布从双峰形演变为中心峰值形，表明向黏性流动的转变。
• 在100 K时观测到的电流分布呈抛物线形，具有类似泊肃叶流体流动的特征，电流集中在截面中心。
• 该转变在多个器件中均表现出强鲁棒性和可重复性，狭缝形结构清晰显示出欧姆到黏性输运转变的明确、无歧义的特征。
• 通道形结构表现出圆滑的分布，对温度和载流子密度变化不敏感，可能由于边界增强散射，因此不适合分辨流体输运转变。
• 结果为石墨烯中电子-电子散射长度短于平均自由程的碰撞主导区域提供了直接实验证据，证实了电子流体动力学的出现。