[论文解读] Measurement of the electronic thermal conductance channels and heat capacity of graphene at low temperature

Kin Chung Fong, Emma E. Wollman+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2013

Graphene research and applications参考文献 45被引用 13

一句话总结

本研究利用超灵敏微波噪声测温法与电门控技术，在低温下测量了石墨烯的电子热导率和比热。结果表明，高掺杂状态下电子-声子耦合遵循T²幂律，证实了无序增强的耦合效应，并观测到朗道数比Wiedemann-Franz定律预测值高出32%，表明二维狄拉克费米子表现出非费米液体行为。

ABSTRACT

The ability to transport energy is a fundamental property of the two-dimensional Dirac fermions in graphene. Electronic thermal transport in this system is relatively unexplored and is expected to show unique fundamental properties and to play an important role in future applications of graphene, including opto-electronics, plasmonics, and ultra-sensitive bolometry. Here we present measurements of bipolar, electron-diffusion and electron-phonon thermal conductances, and infer the electronic specific heat, with a minimum value of 10 $k_{ m{B}}$ ($10^{-22}$ JK$^{-1}$) per square micron. We test the validity of the Wiedemann-Franz law and find the Lorenz number equals $1.32 imes(π^2/3)(k_{ m{B}}/e)^2$. The electron-phonon thermal conductance has a temperature power law $T^2$ at high doping levels, and the coupling parameter is consistent with recent theory, indicating its enhancement by impurity scattering. We demonstrate control of the thermal conductance by electrical gating and by suppressing the diffusion channel using superconducting electrodes, which sets the stage for future graphene-based single microwave photon detection.

研究动机与目标

• 在300 mK至100 K的温度范围内测量石墨烯的电子热导率和比热。
• 检验二维狄拉克费米子中Wiedemann-Franz定律的有效性，并测量朗道数。
• 研究电子-声子耦合及扩散热导率的温度与掺杂依赖性。
• 展示电门控与超导电极对热输运通道的调控能力。
• 为未来在单个微波光子探测与超灵敏热电测量中的应用奠定基础。

提出的方法

• 采用灵敏度达2 mK/√Hz的超灵敏微波频率约翰逊噪声测温法，测量悬浮石墨烯器件中的电子温度。
• 施加焦耳加热并测量热响应，以分离出通过电子扩散（G_wf）和电子-声子耦合（G_ep）通道的热导率。
• 采用三种不同器件结构，结合正常金属与超导（NbTiN）电极，以区分热输运机制。
• 将热导率数据拟合至幂律函数（T, T², T^δ−1），以提取温度依赖性及耦合参数。
• 利用Wiedemann-Franz定律从G_wf计算电子比热，并通过公式G_wf = αL_meas T / R提取朗道数。
• 利用电子迁移率与费米能级估算平均自由程与无序温度，与无序石墨烯中电子-声子耦合理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，石墨烯中电子-声子热导率如何随温度与载流子浓度变化？
• RQ2 电子无序在多大程度上增强石墨烯中的电子-声子耦合？这种增强如何影响观测到的幂律依赖性？
• RQ3 石墨烯中测得的朗道数是多少？与Wiedemann-Franz定律的预测值相比有何差异？
• RQ4 是否能通过热导率直接测量石墨烯的电子比热？其在低温下的最小值是多少？
• RQ5 如何利用超导电极与电门控技术抑制热扩散并调控石墨烯中的热输运？

主要发现

• 在300 mK时，石墨烯的电子比热达到每平方微米10 × 10⁻²² J/K（即10 k_B）的最小值，比以往记录小9倍。
• 测得的朗道数为1.32 × (π²/3)(k_B/e)²，即比Wiedemann-Franz定律预测值高出32%，表明其偏离标准费米液体行为。
• 在高掺杂状态下，电子-声子热导率遵循T²幂律，与近期理论预测一致，该理论认为杂质散射可增强耦合。
• 电子-声子耦合参数Σ_ep随载流子浓度增加而增大，且与无序极限下的标量耦合机制一致。
• 热导率可通过电门控及利用超导电极抑制扩散通道实现调控，为未来单个微波光子探测器的应用提供了可能。
• 电子-声子冷却与电子扩散冷却的转变发生在约1 K附近，二者具有不同的温度依赖性（T²与T），从而可清晰区分输运通道。