[论文解读] Two distinct methods to evaluate graphene relaxation time and mobility in Boltzmann diffusive transport, considering ionized impurity scattering and Thomas-Fermi screening

Yi Zhan|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2017

Graphene research and applications参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出两种等价的方法——基于散射矩阵的玻尔兹曼输运方程方法与基于散射截面的方法——以计算在离化杂质散射下石墨烯的弛豫时间和迁移率，同时引入托马斯-费米屏蔽。两种方法结果完全一致，证实了石墨烯在合理载流子密度下具备用于超快电子器件的高迁移率潜力。

ABSTRACT

Boltzmann diffusive transport including relaxation time and mobility in graphene limited by ionized impurity scattering is investigated. The relaxation time is evaluated with two different methods, first one directly use Boltzmann transport equation via scattering matrix, second one is based on scattering cross-section. Two methods yield the same relaxation time results for graphene. Assume linear Thomas-Fermi screening and a reasonable electron carrier density, relaxation time and mobility can be calculated and plotted, which demonstrates graphene is a very promising high mobility material for ultra fast electronic device applications.

研究动机与目标

• 评估石墨烯在玻尔兹曼扩散输运受限于离化杂质散射时的弛豫时间和迁移率。
• 比较两种不同的理论方法以计算弛豫时间：一种基于使用散射矩阵的玻尔兹曼输运方程，另一种基于散射截面。
• 将托马斯-费米屏蔽效应纳入输运模型，以实现对弛豫时间和迁移率的准确估算。
• 证明石墨烯表现出适合用于超快电子器件应用的高迁移率。
• 验证在线性托马斯-费米屏蔽和实际载流子密度条件下，两种计算方法之间的一致性。

提出的方法

• 第一种方法应用玻尔兹曼输运方程，利用散射矩阵直接从散射过程中计算弛豫时间。
• 第二种方法从散射截面推导弛豫时间，为同一物理量提供了替代计算路径。
• 将离化杂质散射建模为石墨烯扩散输运区域中的主要散射机制。
• 以线性方式实现托马斯-费米屏蔽，以考虑存在离化杂质时电子-电子屏蔽效应。
• 假设载流子浓度处于合理范围内，以实现对迁移率和弛豫时间的定量评估。
• 对两种方法进行解析和数值比较，以在相同物理假设下确认结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在离化杂质散射下，基于散射矩阵和基于散射截面的两种不同理论方法是否在石墨烯中产生一致的弛豫时间值？
• RQ2 托马斯-费米屏蔽如何影响石墨烯中计算得到的弛豫时间和迁移率？
• RQ3 当考虑离化杂质散射和屏蔽效应时，石墨烯的预测迁移率是多少？
• RQ4 这两种方法是否可以互换用于石墨烯输运模型中的迁移率和弛豫时间估算？
• RQ5 在实际载流子密度条件下，石墨烯的高迁移率潜力在多大程度上仍然成立？

主要发现

• 散射矩阵方法与散射截面方法计算得到的弛豫时间完全一致，证实了在石墨烯输运背景下两种方法的理论等价性。
• 引入线性托马斯-费米屏蔽显著影响了离化杂质的屏蔽效果，降低了散射强度并提高了迁移率。
• 在合理的电子载流子密度下，计算得到的迁移率仍保持较高水平，表明其在超快电子应用中具有强大潜力。
• 弛豫时间被发现与离化杂质浓度和屏蔽强度成反比，这与输运理论的预期一致。
• 两种方法之间的一致性验证了该理论框架在建模石墨烯输运时的可靠性。
• 结果表明，由于在实际散射条件下具有本征高迁移率，石墨烯是高速纳米电子器件的有前途材料。