[论文解读] Phonon scattering dominated electron transport in twisted bilayer graphene

Hryhoriy Polshyn, Matthew Yankowitz+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2019

Graphene research and applications参考文献 32被引用 91

一句话总结

该论文显示电子-声子散射在扭曲双层石墨烯（tBLG）的传输中占主导地位，覆盖广泛温度范围，出现显著的 T 线性电阻率，其斜率随平带扭角变化并通过声学声子散射与费米速度减小来解释。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene (tBLG) has recently emerged as a platform for hosting correlated phenomena, owing to the exceptionally flat band dispersion that results near interlayer twist angle $θ\approx1.1^\circ$. At low temperature a variety of phases are observed that appear to be driven by electron interactions including insulating states, superconductivity, and magnetism. Electrical transport in the high temperature regime has received less attention but is also highly anomalous, exhibiting gigantic resistance enhancement and non-monotonic temperature dependence. Here we report on the evolution of the scattering mechanisms in tBLG over a wide range of temperature and for twist angle varying from 0.75$^\circ$ - 2$^\circ$. We find that the resistivity, $ρ$, exhibits three distinct phenomenological regimes as a function of temperature, $T$. At low $T$ the response is dominated by correlation and disorder physics; at high $T$ by thermal activation to higher moiré subbands; and at intermediate temperatures $ρ$ varies linearly with $T$. The $T$-linear response is much larger than in monolayer graphenefor all measured twist angles, and increases by more than three orders of magnitude for $θ$ near the flat-band condition. Our results point to the dominant role of electron-phonon scattering in twisted layer systems, with possible implications for the origin of the observed superconductivity.

研究动机与目标

• 研究扭曲双层石墨烯（tBLG）的传输如何随温度和扭角（0.75°–2.0°）演变。
• 确定在不同温度区间的主导散射机制及其与 tBLG 能带结构的关系。
• 评估声学声子散射是否能够解释在平带条件附近观察到的大幅 T 线性电阻率。
• 探讨高温下向更高莫尔子 subband 的激活与传输性质之间的联系。

提出的方法

• 在扭角从 0.75° 到 2.02° 的 tBLG 器件中，在广温区测量四端电阻率 ρ(T)。
• 在高温区通过对激活到更高莫尔子亚带的激活拟合提取激活能Δ（Arrhenius 拟合）。
• 用声学声子散射建模 T-线性电阻率，公式为 ρ = (π F D_A^2)/(g e^2 ħ ρ_m v_F^2 v_ph^2) k_B T，并通过量子振荡确定 v_F(θ)。
• 通过温度对 Shubnikov–de Haas 振荡的依赖来确定 v_F(θ) 并将其与理论对 θ 的线性依赖性联系起来。
• 在不同角度和载流子密度下比较 dρ/dT 以评估带结构（平带近似）对声子耦合的作用。
• 利用激活和带隙考量来解释高温跨越温度 T_H（及其与带宽和亚带间隙的关系）。

实验结果

研究问题

• RQ1 tBLG 在不同温度和扭角下，支配 ρ(T) 的主要散射机制是什么？
• RQ2 T-线性电阻率的斜率 dρ/dT 如何随扭角和载流子密度变化，是否可以用声学声子散射定量说明？
• RQ3 高温下向更高莫尔子亚带激活在传输中的作用是什么？
• RQ4 费米速度 v_F(θ) 如何影响平带区域的传输，实验得到的 v_F(θ) 是否能解释观察到的趋势？
• RQ5 观察到的高温传输特征是否支持在 tBLG 中存在声子介导的超导机制？

主要发现

• tBLG 的电阻率在三个明显的温度区间中表现出：低温受相关/无序影响、中温线性随温度 T、以及高温受激活主导的行为。
• T-线性区在 0.75°–2.02° 的所有扭角和最低莫尔子亚带的载流子密度范围内普遍存在，dρ/dT 明显大于单层石墨烯并在平带角（约 1.1°）附近达到峰值。
• 高温峰值温度 TH 与到离散的更高莫尔子亚带进行热激活变得显著相关，且与带宽和将更高亚带分离的间隙相关。
• 观测到的 T-线性斜率可通过声学声子散射很好地描述，方程为 ρ ∝ D_A^2/(v_F^2 v_ph^2)，若相对于单层石墨烯提高 D_A/v_ph，则定量吻合度提升，这与近魔角时 v_F 降低相一致。
• 费米速度 v_F(θ) 约随 θ 线性增长，实验提取支持 v_F(θ) ≈ (0.37±0.12)×(θ−1.05°)×10^6 m/s 的近似关系。
• 向高莫尔子亚带的激活间隙通常为 30–90 meV，在魔角附近的间隙最小，促进高温传输特征。
• 基于 dρ/dT 推断的传输电子-声子耦合常数 λ_tr，在合理参数取值下可以达到数量级的数量级量级，表明声子可能对 tBLG 的超导性有所贡献。