Dinámica de desequilibrio en el grafeno, investigado tanto a nivel mundial como local. (A) Esquema del dispositivo:dispositivo de grafeno encapsulado con hBN (nitruro de boro hexagonal) sobre un sustrato de diamante que contiene centros NV (Nitrogen-Vacany) para nanomagnetometría. (Recuadro) La imagen óptica del dispositivo encapsulado en hBN limpio A1 (6 μm x5,4 μm) (B) Condición para la emisión de fonones de Cerenkov:cuando vD> vs, la emisión estimulada de fonones (ph) domina sobre la absorción (derecha). (C) Resistencia de dos sondas versus densidad de portadora del dispositivo A1 (T =10 K). (D) Densidad de corriente en función del campo eléctrico aplicado (T =80 K) en el dispositivo limpio A1 (azul) y el dispositivo desordenado B1 (7 μm por 18 μm, negro). La línea discontinua gris indica dónde vD =vs para el modo acústico longitudinal. (E) PSD de ruido electrónico global (promediado entre 100 y 300 MHz) en función de la potencia de polarización en los dispositivos A1 (azul) y B1 (negro). La curva azul satisface vD> vs para P> 0,12 μW / μm2. (F) Ruido magnético local (medido por nanomagnetometría NV) versus potencia de polarización aplicada en el dispositivo limpio C1 sobre sustrato de diamante. Las barras de error representan intervalos de confianza del 95%. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw2104
Comprender los fenómenos de desequilibrio para controlarlos de manera eficaz es un desafío sobresaliente en la ciencia y la ingeniería. En un estudio reciente, Trond. I. Andersen y colegas de los departamentos de física, química, ciencia e ingeniería de materiales en los EE. UU., Japón y Canadá utilizaron electricidad para desequilibrar los dispositivos de grafeno ultralimpios y observar la inestabilidad manifestada como fluctuaciones de corriente mejoradas y conductividad suprimida en frecuencias de microondas.
Usando la configuración experimental, encontraron que la corriente continua a altas velocidades de deriva generaba un gran aumento en el ruido a frecuencias de gigahercios y el ruido crecía exponencialmente en la dirección de la corriente. Andersen y sus colaboradores atribuyeron el mérito al mecanismo de emisión observado, a la amplificación de fonones acústicos por el efecto Cerenkov (un resplandor azul característico resultante de partículas cargadas que pasan a través de un aislante a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en ese medio) y ahora han publicado los resultados en Ciencias .
Los científicos mapearon espacialmente las fluctuaciones de la corriente de desequilibrio utilizando sensores de campo magnético a nanoescala para revelar que crecieron exponencialmente a lo largo de la dirección del flujo del portador. Andersen y col. atribuyó la dependencia observada del fenómeno de la densidad y la temperatura, a la inestabilidad de Cerenkov electrón-fonón a velocidades de deriva supersónicas. Las velocidades de deriva supersónicas ocurrieron cuando la población de ciertos fonones aumentó con el tiempo debido a la emisión de Cerenkov forzada, cuando la velocidad de deriva de la conducción de electrones fue mayor que la velocidad del sonido (V D > V S ) en el medio. Los resultados experimentales pueden ofrecer la oportunidad de generar frecuencias de terahercios sintonizables y construir dispositivos fonónicos activos en materiales bidimensionales.
Los fenómenos de no equilibrio impulsados en los sistemas electrónicos y ópticos muestran una rica dinámica, que se puede aprovechar para aplicaciones como diodos Gunn y láseres. Materiales bidimensionales como el grafeno, son una nueva plataforma cada vez más popular para explorar tales fenómenos. Por ejemplo, Los dispositivos de grafeno ultralimpios modernos demuestran una alta movilidad y pueden ser impulsados a altas velocidades electrónicas con inestabilidades previstas para incluir inestabilidades hidrodinámicas en fluidos electrónicos e inestabilidades Dyakonov-Shur donde los electrones impulsados pueden amplificar plasmones.
ARRIBA:Circuito de medida. Diagrama de circuito para la medida de ruido (caja roja) y conductividad diferencial AC (caja amarilla). IZQUIERDA:Fabricación del dispositivo sobre sustrato de diamante. (A) Esquema del dispositivo:grafeno monocapa (cadena gris) se puso en contacto con grafito y se encapsuló con nitruro de boro hexagonal (hBN). Se utilizó grafeno de pocas capas (FLG) como puerta superior. (B-H) Micrografías de la fabricación del dispositivo, con barra de escala de 40 µm en (B) - (G) y 500 µm en (H). (B) Grafeno exfoliado. La línea de trazos blancos indica la región monocapa. (C) Pila completa sobre sustrato de diamante con centros NV poco profundos implantados (40 - 60 nm de profundidad). (D) Contactos iniciales y cable para generar ruido de referencia (electrodo más a la izquierda). (E) Dispositivo tras grabado para definir geometría. (F) Contactos de borde construidos mediante grabado y posterior evaporación térmica. (G) Dispositivo con máscara de grabado para desconectar la puerta superior de los contactos del borde. Tenga en cuenta que las ondas visibles en la imagen están completamente contenidas en el grafeno de la puerta superior y no se espera que afecten las propiedades de transporte del grafeno del canal. debido al dieléctrico hBN grueso (∼ 90 nm). (H) Diamante monocristalino completo (2 × 2 mm2), con dispositivo de alambre unido. DERECHA:Fabricación del dispositivo sobre sustrato Si / SiO2. (A) Esquema del dispositivo:se encapsuló grafeno monocapa (cadena gris) con nitruro de boro hexagonal (hBN). El sustrato de silicio se utilizó como puerta trasera global. (B) - (F) Micrografías de la fabricación del dispositivo, con barra de escala de 20 µm. (B) Grafeno exfoliado. (C) Pila completa sobre sustrato. (D) Contactos iniciales. (E) Contactos de borde construidos mediante grabado y posterior evaporación térmica. (F) Dispositivo después del grabado que define la geometría. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw2104
Por lo tanto, el estudio de las propiedades electrónicas del grafeno en condiciones extremas de no equilibrio proporciona un banco de pruebas productivo para evaluar y monitorear fenómenos de transporte exóticos. Además del uso de la generación de señales de alta frecuencia, Andersen y col. investigó la dinámica subyacente de no equilibrio durante el transporte de electrones en dispositivos de grafeno ultralimpio que contienen una velocidad de deriva de electrones extremadamente alta. Comprender la dinámica del desequilibrio es vital para muchas aplicaciones técnicas del grafeno; incluyendo transistores de alta frecuencia, fuentes de luz incandescentes ultrarrápidas e interconexiones de transporte flexibles. Sin embargo, es difícil darse cuenta de las estabilidades electrónicas en la práctica, debido al aumento de la dispersión de fonones a altas velocidades de deriva.
En principio, mientras que la pérdida por dispersión de fonones suele ser irreversible, Los fonones de larga duración pueden actuar como una fuente dominante de inestabilidad dentro de la configuración experimental. Cuando la velocidad de deriva electrónica (V D ) supera la velocidad del sonido (V S ), la emisión de fonones se vuelve mayor que la absorción de fonones, resultando en un crecimiento exponencial de la población de fonones, conocido como amplificación phonon Cerenkov. El fenómeno se exploró durante mucho tiempo en teoría como una técnica para producir ondas acústicas de alta frecuencia, con la evidencia experimental adjunta en sistemas a granel y superredes de semiconductores obtenidas mediante mediciones acústicas y ópticas a partir de entonces.
Mediciones de ruido local resueltas espacialmente con magnetometría NV. (A) Imagen de fluorescencia de los centros NV debajo del dispositivo C2, con contactos de colores falsos y bordes añadidos. (B) Relajación de espín NV desde polarizado a estado térmico (línea discontinua), cuando las densidades de corriente j =0 mA / μm (azul oscuro) yj =−0,19 mA / μm (azul claro) pasan a través del dispositivo. Las líneas continuas son ajustes. Sra, número cuántico de espín. (C) Ruido magnético local cerca del contacto del drenaje en función de la densidad de corriente de grafeno (dispositivo C1) en el régimen dopado de electrones (e) y huecos (h) (azul y rojo, respectivamente). (D) Mapa espacial del ruido magnético local (dispositivo C2) en j =0,18 mA / μm yn =0,92 × 1012 cm − 2. El perfil espacial es consistente con el crecimiento exponencial de fonones debido a la amplificación de Cerenkov (caricatura, cima). La curva negra discontinua muestra el exceso de población de fonones teóricamente predicho (compensación para tener en cuenta el ruido de fondo). a.u., unidades arbitrarias. (E) La dirección de crecimiento se invierte cambiando la dirección de la corriente (izquierda) o el signo del portador de carga (derecha). Las barras de error representan intervalos de confianza del 95%. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw2104
En el presente trabajo, Andersen y col. utilizaron dispositivos de grafeno con compuerta eléctrica fabricados sobre sustratos de diamante y silicio / dióxido de silicio, encapsulado en nitruro de boro hexagonal (hBN) a temperaturas criogénicas (T =10 a 80 K) para realizar los experimentos propuestos. La configuración experimental proporcionó propiedades de transporte de bajo sesgo para el sistema de grafeno ultralimpio con una movilidad de 20 a 40 m. 2 /V.s a una densidad de portadores (2 x 10 12 cm -2 ), correspondiente al transporte casi balístico. Debido a la alta movilidad, los portadores podrían ser acelerados por un campo eléctrico a altas velocidades de deriva para observar una respuesta de corriente no lineal, mientras que un dispositivo desordenado mostró en contraste un comportamiento óhmico lineal.
Para estudiar el comportamiento de desequilibrio, primero, Andersen y col. midió el ruido global en la corriente fuente-drenaje con un analizador de espectro, mientras se varía la potencia de polarización aplicada ( PAG ). Los resultados indicaron una nueva fuente de ruido en dispositivos de grafeno con bajo desorden, encapsulado en hBN. Para obtener información sobre la anomalía observada, Los científicos realizaron mediciones de ruido resueltas espacialmente mediante la construcción de dispositivos de grafeno en sustratos de diamante con impurezas de centro de color de vacantes de nitrógeno poco profundas de 40 a 60 nm de profundidad. Midieron los qubits de espín en forma de átomo utilizando microscopía confocal y sondearon el ruido de la corriente a nanoescala midiendo los campos magnéticos resultantes.
Andersen y col. sondeó la dependencia espacial del ruido anómalo mediante la observación óptica de centros NV individuales a lo largo del dispositivo para medir su tasa de relajación de giro. El ruido mostró una clara simetría con la dirección de la corriente, un resultado inesperado ya que el ruido global y las propiedades de transporte son independientes de la dirección de la corriente. Luego, usando la puerta del dispositivo, Andersen y col. demostró que la señal de ruido local dependía de la dirección del flujo del impulso y no de la carga. 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. Crédito: Ciencias , 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; por lo tanto, 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. Crédito: Ciencias , 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. Sin embargo, 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.
De este modo, Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. En los experimentos, 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), comunicaciones inalámbricas, 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.
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