Ej jämviktsdynamik i grafen, undersökt både globalt och lokalt. (A) Enhetsschema:hBN (hexagonal bornitrid) -inkapslad grafenanordning på diamantsubstrat som innehåller NV (Nitrogen-Vacany) centra för nanomagnetometri. (Infälld) Den optiska bilden av ren hBN-inkapslad enhet A1 (6 μm x5,4 μm) (B) Villkor för Cerenkov-emission av fononer:när vD>vs, stimulerad fonon (ph) emission dominerar över absorption (höger). (C) Tvåsondsresistans kontra bärartäthet för enhet A1 (T =10 K). (D) Strömtäthet som en funktion av pålagt elektriskt fält (T =80 K) i ren anordning A1 (blå) och oordnad anordning B1 (7 μm gånger 18 μm, svart). Den grå streckade linjen indikerar var vD=vs för det longitudinella akustiska läget. (E) Globalt elektroniskt brus PSD (i genomsnitt över 100 till 300 MHz) som en funktion av förspänning i enheterna A1 (blå) och B1 (svart). Blå kurva uppfyller vD>vs för P> 0,12 μW/μm2. (F) Lokalt magnetiskt brus (mätt med NV nanomagnetometri) kontra applicerad förspänningskraft i ren enhet C1 på diamantsubstrat. Felstaplar representerar 95 % konfidensintervall. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aaw2104
Att förstå icke-jämviktsfenomen för att effektivt kontrollera det är en enastående utmaning inom vetenskap och teknik. I en nyligen genomförd studie, Trond. I. Andersen och kollegor vid institutionerna för fysik, kemi, materialvetenskap och teknik i USA, Japan och Kanada använde elektricitet för att driva ultrarena grafenenheter ur jämvikt och observera den manifesterade instabiliteten som ökade strömfluktuationer och undertryckt konduktivitet vid mikrovågsfrekvenser.
Med hjälp av experimentinställningen, de fann att likström vid höga drifthastigheter genererade en stor ökning av bruset vid gigahertz-frekvenser och bruset växte exponentiellt i strömmens riktning. Andersen och medarbetare krediterade den observerade utsläppsmekanismen, till förstärkningen av akustiska fononer med Cerenkov-effekten (ett karakteristiskt blått sken som härrör från laddade partiklar som passerar genom en isolator med en hastighet som är högre än ljusets hastighet i det mediet) och har nu publicerat resultaten på Vetenskap .
Forskarna kartlade rumsligt strömfluktuationerna i icke-jämvikt med hjälp av magnetiska fältsensorer i nanoskala för att avslöja att de växte exponentiellt längs bärarflödets riktning. Andersen et al. krediterade det observerade beroendet av fenomenet på densitet och temperatur, till elektron-fonon Cerenkov-instabilitet vid överljudsdrifthastigheter. Överljudsdrifthastigheter inträffade när populationen av vissa fononer ökade med tiden på grund av forcerad Cerenkov-emission, när drifthastigheten för elektronledning var större än ljudets hastighet (V D > V S ) i mediet. De experimentella resultaten kan erbjuda möjligheten att generera avstämbara terahertz-frekvenser och konstruera aktiva fononiska enheter på tvådimensionella material.
Icke-jämviktsfenomen som drivs i elektroniska och optiska system visar rik dynamik, som kan utnyttjas för tillämpningar som Gunn-dioder och lasrar. Tvådimensionella material som grafen, är en allt populärare ny plattform för att utforska sådana fenomen. Till exempel, moderna ultrarena grafenenheter uppvisar höga rörligheter och kan drivas till höga elektroniska hastigheter med förutspådd instabilitet för att inkludera hydrodynamiska instabiliteter i elektroniska vätskor och Dyakonov-Shur-instabiliteter där de drivna elektronerna kan förstärka plasmoner.
UPP:Mätkrets. Kretsschema för mätning av brus (röd ruta) och AC differentialkonduktivitet (gul ruta). VÄNSTER:Tillverkning av enhet på diamantsubstrat. (A) Schematisk anordning:Enskiktsgrafen (grå kedja) togs i kontakt med grafit och inkapslades med hexagonal bornitrid (hBN). Fålagers grafen (FLG) användes som topgate. (B-H) Mikrofotografier av enhetstillverkning, med 40 µm skalstång i (B)-(G) och 500 µm i (H). (B) Exfolierad grafen. Vit streckad linje indikerar monolagerregion. (C) Komplett stack på diamantsubstrat med grunda implanterade (40 - 60 nm djupa) NV-centra. (D) Inledande kontakter och tråd för att leverera referensljud (elektrod längst till vänster). (E) Enhet efter etsning för att definiera geometri. (F) Kantkontakter konstruerade genom etsning och efterföljande termisk avdunstning. (G) Enhet med etsmask för att koppla bort topgate från kantkontakter. Observera att krusningar som är synliga i bilden helt och hållet finns i toppportens grafen och förväntas inte påverka transportegenskaperna för kanalgrafenen, på grund av det tjocka (~90 nm) hBN-dielektriken. (H) Hel (2×2 mm2) enkristalldiamant, med trådbunden enhet. HÖGER:Tillverkning av enhet på Si/SiO2-substrat. (A) Schematisk enhet:Enskiktsgrafen (grå kedja) inkapslades med hexagonal bornitrid (hBN). Silikonsubstrat användes som en global backgate. (B)-(F) Mikrofotografier av enhetstillverkning, med 20 µm skalstång. (B) Exfolierad grafen. (C) Komplett stapel på substrat. (D) Inledande kontakter. (E) Kantkontakter konstruerade genom etsning och efterföljande termisk avdunstning. (F) Anordning efter geometridefinierande ets. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aaw2104
Studiet av elektroniska egenskaper hos grafen under extrema icke-jämviktsförhållanden ger därför en produktiv testbädd för att bedöma och övervaka exotiska transportfenomen. Förutom användningen av högfrekvent signalgenerering, Andersen et al. undersökte den underliggande icke-jämviktsdynamiken under elektrontransport i ultrarena grafenenheter som innehåller en extremt hög elektrondrifthastighet. Att förstå icke-jämviktsdynamik är avgörande för många tekniska tillämpningar av grafen; inklusive högfrekvenstransistorer, ultrasnabba glödljuskällor och flexibla transportförbindelser. Dock, det är svårt att inse de elektroniska stabiliteterna i praktiken, på grund av ökad fononspridning vid höga drifthastigheter.
I princip, medan fononspridningsförlust vanligtvis är irreversibel, långlivade fononer kan fungera som en dominerande källa till instabilitet inom experimentupplägget. När den elektroniska drifthastigheten (V D ) överstiger ljudets hastighet (V S ), fononemission blir större än fononabsorption, vilket resulterar i en exponentiell tillväxt av fononpopulationen, känd som phonon Cerenkov-förstärkning. Fenomenet har länge utforskats i teorin som en teknik för att producera högfrekventa akustiska vågor, med åtföljande experimentella bevis i bulksystem och halvledarsupergitter erhållna med hjälp av akustiska och optiska mätningar därefter.
Rumsligt upplösta lokala brusmätningar med NV-magnetometri. (A) Fluorescensbild av NV-centra under enheten C2, med falska kontakter och ramar tillagda. (B) NV-spinrelaxation från polariserat till termiskt tillstånd (streckad linje), när strömtätheter j =0 mA/μm (mörkblå) och j =-0,19 mA/μm (ljusblå) passerar genom enheten. Heldragna linjer passar. Fröken, spin kvantnummer. (C) Lokalt magnetiskt brus nära dräneringskontakt som en funktion av grafenströmtäthet (enhet C1) i elektron (e)– och hål (h)–dopad regim (blå och röd, respektive). (D) Rumslig karta över det lokala magnetiska bruset (enhet C2) vid j =0,18 mA/μm och n =0,92 × 1012 cm−2. Den rumsliga profilen överensstämmer med den exponentiella tillväxten av fononer på grund av Cerenkov-förstärkning (tecknad, topp). Streckad svart kurva visar den teoretiskt förutsagda överskottsfononpopulationen (offset för att ta hänsyn till bakgrundsbrus). a.u., godtyckliga enheter. (E) Tillväxtriktningen vänds genom att ändra strömriktningen (vänster) eller laddningsbärarens tecken (höger). Felstaplar representerar 95 % konfidensintervall. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aaw2104
I detta arbete, Andersen et al. använde elektriskt grindade grafenenheter tillverkade på diamant- och kisel/kiseldioxidsubstrat, inkapslad i hexagonal bornitrid (hBN) vid kryogena temperaturer (T=10 till 80 K) för att genomföra de föreslagna experimenten. Den experimentella uppställningen gav låg-bias transportegenskaper för det ultrarena grafensystemet med en rörlighet från 20 till 40 m 2 /V.s vid en bärartäthet (2 x 10 12 centimeter -2 ), motsvarande nästan ballistisk transport. På grund av hög rörlighet, bärare skulle kunna accelereras av ett elektriskt fält till höga drifthastigheter för att observera icke-linjär strömrespons, medan en oordnad enhet i kontrast visade linjärt ohmskt beteende.
För att studera icke-jämviktsbeteendet, först, Andersen et al. mätte det globala bruset i source-drain-strömmen med en spektrumanalysator, samtidigt som den applicerade förspänningskraften varieras ( P ). Resultaten indikerade en ny källa till brus i grafenenheter med låg störning, inkapslad i hBN. För att få insikt om den observerade anomalien, forskarna utförde rumsligt upplösta brusmätningar genom att konstruera grafenenheter på diamantsubstrat med grunda kvävevakansfärgcentrumföroreningar på 40 till 60 nm djup. De mätte de atomliknande spinn-qubits med konfokalmikroskopi och undersökte strömbruset i nanoskala genom att mäta de resulterande magnetfälten.
Andersen et al. undersökte det spatiala beroendet av det anomala bruset genom att optiskt observera enstaka NV-centra längs enheten för att mäta deras spinrelaxationshastighet. Bruset uppvisade tydlig symmetri med strömriktningen, ett oväntat resultat eftersom globala buller- och transportegenskaper är oberoende av strömriktningen. Använd sedan enhetsporten, Andersen et al. demonstrated that the local noise signal depended on the flow direction of momentum and not charge. 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. Kreditera: Vetenskap , 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; därför, 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. Kreditera: Vetenskap , 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. Dock, 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 det här sättet, Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. I experimenten, 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), trådlös 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.
© 2019 Science X Network
