Elektron-fonon-ustabilitet i grafen afsløret af globale og lokale støjsonder

Ikke-ligevægtsdynamik i grafen, undersøgt både globalt og lokalt. (A) Enhedsskema:hBN (hexagonal bornitrid) -indkapslet grafenanordning på diamantsubstrat indeholdende NV (Nitrogen-Vacany) centre til nanomagnetometri. (Indsat) Det optiske billede af ren hBN-indkapslet enhed A1 (6 μm x5,4 μm) (B) Betingelse for Cerenkov-emission af fononer:når vD>vs, stimuleret fonon (ph) emission dominerer over absorption (højre). (C) To-probe modstand versus bærertæthed af enhed A1 (T =10 K). (D) Strømtæthed som funktion af påført elektrisk felt (T =80 K) i ren enhed A1 (blå) og uordnet enhed B1 (7 μm gange 18 μm, sort). Den grå stiplede linje angiver, hvor vD=vs for den langsgående akustiske tilstand. (E) Global elektronisk støj PSD (gennemsnitligt over 100 til 300 MHz) som funktion af bias power i enhederne A1 (blå) og B1 (sort). Blå kurve opfylder vD>vs for P> 0,12 μW/μm2. (F) Lokal magnetisk støj (målt ved NV nanomagnetometri) versus påført forspændingseffekt i ren enhed C1 på diamantsubstrat. Fejlbjælker repræsenterer 95 % konfidensintervaller. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aaw2104

At forstå ikke-ligevægtsfænomener for effektivt at kontrollere det er en enestående udfordring inden for videnskab og teknik. I en nylig undersøgelse, Trond. I. Andersen og kolleger på fysikafdelingerne, kemi, materialevidenskab og teknik i USA, Japan og Canada brugte elektricitet til at drive ultrarene grafenenheder ud af ligevægt og observere den manifesterede ustabilitet som øgede strømudsving og undertrykt ledningsevne ved mikrobølgefrekvenser.

Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, de fandt ud af, at jævnstrøm ved høje afdriftshastigheder genererede en stor stigning i støjen ved gigahertz-frekvenser, og støjen voksede eksponentielt i strømmens retning. Andersen og kolleger krediterede den observerede emissionsmekanisme, til forstærkningen af akustiske fononer ved hjælp af Cerenkov-effekten (en karakteristisk blå glød som følge af ladede partikler, der passerer gennem en isolator med en hastighed, der er større end lysets hastighed i det medium) og har nu offentliggjort resultaterne på Videnskab .

Forskerne kortlagde rumligt de ikke-ligevægtsstrømsvingninger ved hjælp af nanoskala magnetfeltsensorer for at afsløre, at de voksede eksponentielt i retningen af bærerstrømmen. Andersen et al. krediteret den observerede afhængighed af fænomenet af tæthed og temperatur, til elektron-fonon Cerenkov ustabilitet ved supersoniske drifthastigheder. Supersoniske drifthastigheder opstod, når populationen af visse fononer steg med tiden på grund af tvungen Cerenkov-emission, når afdriftshastigheden af elektronledning var større end lydens hastighed (V _D> V _S ) i mediet. De eksperimentelle resultater kan give mulighed for at generere afstembare terahertz-frekvenser og konstruere aktive fononiske enheder på todimensionelle materialer.

Ikke-ligevægtsfænomener drevet i elektroniske og optiske systemer viser rig dynamik, som kan udnyttes til applikationer som Gunn dioder og lasere. Todimensionelle materialer såsom grafen, er en stadig mere populær ny platform til at udforske sådanne fænomener. For eksempel, moderne ultrarene grafenenheder demonstrerer høje mobiliteter og kan drives til høje elektroniske hastigheder med forudsagte ustabiliteter for at inkludere hydrodynamiske ustabiliteter i elektroniske væsker og Dyakonov-Shur ustabiliteter, hvor de drevne elektroner kan forstærke plasmoner.

TOP:Målekredsløb. Kredsløbsdiagram til måling af støj (rød boks) og AC differentiel ledningsevne (gul boks). VENSTRE:Enhedsfremstilling på diamantunderlag. (A) Skematisk anordning:Enlagsgrafen (grå kæde) blev grafitkontaktet og indkapslet med hexagonalt bornitrid (hBN). Få-lags grafen (FLG) blev brugt som topgate. (B-H) Mikrofotografier af enhedsfabrikation, med 40 µm skala i (B)-(G) og 500 µm i (H). (B) Eksfolieret grafen. Hvid stiplet linje angiver monolagsområde. (C) Komplet stak på diamantsubstrat med lavt implanteret (40 - 60 nm dybt) NV-centre. (D) Indledende kontakter og ledning til levering af referencestøj (elektroden længst til venstre). (E) Enhed efter ætsning for at definere geometri. (F) Kantkontakter konstrueret gennem ætsning og efterfølgende termisk fordampning. (G) Enhed med ætsemaske til afbrydelse af topgate fra kantkontakter. Bemærk, at krusninger, der er synlige i billedet, udelukkende er indeholdt i topgate-grafen og forventes ikke at påvirke transportegenskaberne af kanalgrafen, på grund af det tykke (~ 90 nm) hBN-dielektrikum. (H) Hele (2×2 mm2) enkeltkrystal diamant, med trådbundet enhed. TIL HØJRE:Enhedsfremstilling på Si/SiO2-substrat. (A) Enhedsskema:Enlagsgrafen (grå kæde) blev indkapslet med sekskantet bornitrid (hBN). Siliciumsubstrat blev brugt som en global bagdør. (B)-(F) Mikrofotografier af enhedsfabrikation, med 20 µm skala. (B) Eksfolieret grafen. (C) Fuldstændig stak på underlaget. (D) Indledende kontakter. (E) Kantkontakter konstrueret gennem ætsning og efterfølgende termisk fordampning. (F) Indretning efter geometri-definerende etc. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aaw2104

Studiet af grafens elektroniske egenskaber under ekstreme ikke-ligevægtsforhold giver derfor et produktivt testleje til at vurdere og overvåge eksotiske transportfænomener. Ud over brugen af højfrekvent signalgenerering, Andersen et al. undersøgte den underliggende ikke-ligevægtsdynamik under elektrontransport i ultrarene grafenenheder, der indeholder en ekstrem høj elektrondriftshastighed. At forstå ikke-ligevægtsdynamik er afgørende for mange tekniske anvendelser af grafen; inklusive højfrekvente transistorer, ultrahurtige glødelyskilder og fleksible transportforbindelser. Imidlertid, det er svært at realisere de elektroniske stabiliteter i praksis, på grund af øget fononspredning ved høje drifthastigheder.

I princippet, mens fononspredningstab typisk er irreversibelt, langlivede fononer kan fungere som en dominerende kilde til ustabilitet i forsøgsopstillingen. Når den elektroniske drifthastighed (V _D ) overstiger lydens hastighed (V _S ), phonon emission bliver større end phonon absorption, resulterer i en eksponentiel vækst i fononpopulationen, kendt som phonon Cerenkov-forstærkning. Fænomenet har længe været udforsket i teorien som en teknik til at producere højfrekvente akustiske bølger, med tilhørende eksperimentelle beviser i bulksystemer og halvledersupergitter opnået ved hjælp af akustiske og optiske målinger derefter.

Rumligt opløste lokale støjmålinger med NV-magnetometri. (A) Fluorescensbillede af NV-centre under enhed C2, med falskfarvede kontakter og kanter tilføjet. (B) NV spin relaksation fra polariseret til termisk tilstand (stiplet linje), når strømtætheder j =0 mA/μm (mørkeblå) og j =-0,19 mA/μm (lyseblå) føres gennem enheden. Solide linjer passer. Frk, spin kvantetal. (C) Lokal magnetisk støj nær afløbskontakt som funktion af grafenstrømtæthed (enhed C1) i elektron (e)- og hul (h)-dopet regime (blå og rød, henholdsvis). (D) Rumlig kort over den lokale magnetiske støj (enhed C2) ved j =0,18 mA/μm og n =0,92 × 1012 cm−2. Den rumlige profil er i overensstemmelse med den eksponentielle vækst af fononer på grund af Cerenkov-forstærkning (tegneserie, top). Stiplet sort kurve viser den teoretisk forudsagte overskydende fononpopulation (offset for at tage højde for baggrundsstøj). a.u., vilkårlige enheder. (E) Vækstretningen vendes ved at ændre den aktuelle retning (venstre) eller ladningsbærerskiltet (højre). Fejlbjælker repræsenterer 95 % konfidensintervaller. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aaw2104

I nærværende arbejde, Andersen et al. brugte elektrisk gatede grafenenheder fremstillet på diamant- og silicium/siliciumdioxid-substrater, indkapslet i hexagonalt bornitrid (hBN) ved kryogene temperaturer (T=10 til 80 K) for at udføre de foreslåede eksperimenter. Den eksperimentelle opsætning gav lav-bias transportegenskaber til det ultrarene grafensystem med en mobilitet fra 20 til 40 m ² /V.s ved en bærertæthed (2 x 10 ¹² cm ^-2 ), svarende til næsten ballistisk transport. På grund af høj mobilitet, bærere kunne accelereres af et elektrisk felt til høje drifthastigheder for at observere ikke-lineær strømrespons, mens en uordnet enhed kontrasterende viste lineær ohmsk adfærd.

For at studere ikke-ligevægtsadfærd, først, Andersen et al. målte den globale støj i source-drain-strømmen med en spektrumanalysator, mens den anvendte bias-kraft varieres ( P ). Resultaterne indikerede en ny kilde til støj i grafenenheder med lav lidelse, indkapslet i hBN. For at få indsigt i den observerede anomali, forskerne udførte rumligt opløste støjmålinger ved at konstruere grafenanordninger på diamantsubstrater med lavvandede nitrogen-tomrum farve-center urenheder på 40 til 60 nm i dybden. De målte de atomlignende spin-qubits ved hjælp af konfokal mikroskopi og undersøgte nanoskalastrømstøjen ved at måle de resulterende magnetfelter.

Andersen et al. undersøgte den rumlige afhængighed af den unormale støj ved optisk at observere enkelte NV-centre langs enheden for at måle deres spinrelaksationshastighed. Støjen udviste tydelig symmetri med strømmens retning, et uventet resultat, da globale støj- og transportegenskaber er uafhængige af strømmens retning. Brug derefter enhedsporten, Andersen et al. demonstreret, at det lokale støjsignal afhang af strømningsretningen af momentum og ikke ladning. The scientists also showed that the noise was small at the carrier entry point but grew exponentially as the carrier flowed across the 17-µm long device.

Slow dynamics in global electronic measurements. (A) Global noise spectra at n =2 × 1012 cm−2. Colored curves:clean device A2 (9.5 μm by 11 μm) at bias ranging from 0 to 0.8 V (bottom to top). Black curve:disordered device B1 at maximum power applied to device A2 (scaled 7×). (B) Ac differential conductivity spectra (excitation:−20 dBm) (19) with biases 0 to 0.8 V [top to bottom, colors same as in (A)]. The real (Re) component is suppressed at low frequencies. Gray curve:imaginary (Im) component at 0.8 V. Black curves are fits. (C and D) Features in noise and conductivity spectra shift to higher frequencies in a shorter (6-μm) device (device A1) under similar electric field as maximum in (A) and (B). (E and F) Extracted traversal time from (B) and (D) as a function of drift velocity and device length. Dashed curves correspond to speed of sound in graphene [light gray, transverse acoustic (TA); dark gray, longitudinal acoustic (LA)]. (G) Cartoon of important rates in the driven electron-phonon system. During Cerenkov amplification, the correlation time observed in electronic measurements is limited by the phonon traversal time, tT=L/vs. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aaw2104

The scientists consistently explained all observations using the electro-phonon Cerenkov instability. As a key insight of the study, Andersen et al. showed that when the electronic drift velocity exceeded the speed of sound (supersonic drift velocity), the forward-moving acoustic phonons experienced a faster rate of simulated emission than absorption. Pristine graphene also exhibited long acoustic phonon lifetimes; derfor, an emitted phonon could stimulate the emission of exponential growth in the setup.

When they modelled these effects mathematically, the results agreed well with experimental outcomes, while the anomalous noise further increased with increasing device length. The model predicted that the observed electron-phonon instability would give rise to a conductivity spectrum. The scientists continued to explore the nonequilibrium dynamics using models of the electron-phonon system.

Dependence on bath temperature and charge density. (A) Global noise PSD as a function of bath temperature at constant drift velocities and n =2 × 10^12 cm−2. (B) Calculated peak phonon emission frequency, which can be tuned via the graphene carrier density (blue:Te =0 K; red:Te =320 K). (C) Normalized global current noise as a function of carrier density for different device lengths (j =0.6 mA/μm). Solid curves show predicted total phonon emission. (D) The charge density at which the noise peaks (npeak) for a wider variety of samples than in (C), with fit (blue). Error bars represent sampling spacing of carrier densities. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aaw2104.

Since the Cerenkov amplification is sensitive to the phonon lifetime, the scientists expected the effects to intensify at lower temperatures due to slower anharmonic decay. Imidlertid, as Andersen et al. reduced the temperature from 300 to 10 K, they observed a strong increase in noise – in clear contrast to the decreasing thermal noise observed at low drives (vD≲vs), suggesting that the amplification process was limited by scattering with thermally occupied modes.

På denne måde Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. I forsøgene, the driven electron-phonon system showed rich nonequilibrium dynamics that merit further investigations using new techniques to directly characterize the phonon spectrum and gain further insights. Previous theoretical studies had predicted amplified phonons in graphene with frequencies as high as 10 THz, substantially higher than those in several other materials.

The experimental system can offer pure electrical generation and phonon amplification in a single micrometer-scale device with wide frequency tunability. Andersen et al. envision applications that will explore coupling to a mechanical cavity to develop a phonon laser, and outcoupling of the amplified sound waves to far-field terahertz radiation for medical imaging and security screening imaging (due to the degree of imaging transparency offered), trådløs kommunikation, quality control and process monitoring in manufacturing applications. The results by Andersen et al. represent a promising step towards the development of new-generation active phononic and photonic devices for multidisciplinary applications in future work.

Sidste artikelForskerholdet opdager et perfekt ufuldkomment twist på nanotrådvækst

Næste artikelNy nanomedicin glider gennem sprækkerne