Extreme electron–hole drag and negative mobility in the Dirac plasma of graphene
Ponomarenko, L.A., Principi, A., Niblett, A.D. et al.
摘要
相邻电子和空穴气体之间的库仑阻力引起了相当大的关注，人们在各种二维系统中进行了研究，包括半导体和石墨烯异质结构。在这里，我们报告了普朗克等离子体中电子-空穴阻力的测量，该等离子体在高于液氮温度的狄拉克点附近的单层石墨烯中形成。由于多数载流子引起的阻力，频繁的电子-空穴散射迫使少数载流子逆着施加的电场移动。电子和空穴的这种单向传输导致少数载流子的名义上为负迁移率。发现电子-空穴阻力在室温附近最强，尽管明显受到声子散射的影响。我们的研究结果有助于更好地了解电荷中性石墨烯的传输特性，揭示其流体动力学描述的局限性，并提供了对量子临界系统的一般见解。
介绍
如果电子和空穴掺杂的二维 （2D） 导体彼此靠近放置，相邻层中电荷载流子之间的库仑相互作用会导致电子-空穴阻力。使用基于 GaAs 异质结构的各种电子系统以及最近的石墨烯对这种阻力进行了广泛研究。库仑相互作用的强度随着 2D 系统之间距离的减小而迅速增加。如果电子和空穴共存于同一原子平面内，则预计最终会产生强大的阻力。石墨烯在其 Dirac 或中性点 （NP） 附近提供了这种电子系统的实现。事实上，在 NP 附近，有限的温度 T 会导致电子和空穴的热激发，而它们的相对浓度可以通过栅极电压来控制。由此产生的电子-空穴等离子体具有很强的相互作用，代表了一个量子临界系统，其中粒子-粒子碰撞受普朗克耗散控制。该系统通常也被称为 Dirac 流体，假设载流子间散射主导其他散射机制。由于石墨烯中的 Dirac 等离子体是一个相对简单且可调的电子系统，因此它的行为对于理解更复杂的普朗克系统中的电子传输（包括“奇异金属”和正常状态下的高温超导体）具有洞察力。与宇宙事件中产生的相对论电子-正电子等离子体在概念上也存在有趣的重叠，这在实验室实验中很难重现。先前对 Dirac 等离子体的实验研究报告了它的流体动力学流动、违反 Wiedemann-Franz 法、巨型线性磁阻、以及指示量子临界状态的其他异常。到目前为止，探测 Dirac 等离子体内电子和空穴子系统之间相互阻力的可能性尚未引起注意。
结果
结论
如果不考虑 Dirac 等离子体内电子和空穴子系统之间的强烈相互作用，就不可能理解石墨烯在 NP 附近的传输特性，因为少数载流子与多数载流子被拖向相同的方向。我们的玻尔兹曼分析准确描述了观察到的纵向和霍尔电阻率的行为，该分析允许对散射率进行定量评估。声子和杂质不可避免的散射降低了比率 的可实现值，因此狄拉克等离子体中的少数载流子总是滞后于多数载流子。对于高质量的封装石墨烯，在空间 T 附近相互阻力最强，因为少数载流子的漂移速度大约是多数载流子的一半。这表明杂质和声子散射显着影响石墨烯的 Dirac 等离子体的传输特性，特别是抑制其粘性（流体动力学）行为。
来源：Ponomarenko, L.A., Principi, A., Niblett, A.D. et al. Extreme electron–hole drag and negative mobility in the Dirac plasma of graphene. Nat Commun 15, 9869 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54198-x