Omnipräsenz viskoser Strömung in Graphen Bauelementen

 

30. November 2021 von Federica Haupt

Forscher der RWTH Aachen und der AMO GmbH haben bei der Abbildung der komplexen Strömungsmuster des Elektronenflusses in Graphen-Feldeffekttransistoren Beweise für lokale Stellen mit viskosem Elektronenfluss selbst bei Raumtemperatur in Bauelementen mit mäßiger Mobilität gefunden, was bedeutet, dass viskoser Elektronenfluss in Graphen-Bauelementen allgegenwärtig ist. Die Ergebnisse wurden in Nano Letters veröffentlicht.

Die Stärke von Graphen für elektronische Anwendungen liegt in seiner Unempfindlichkeit gegenüber bestimmten Streueffekten. Quantenmechanische Interferenzen verhindern die Rückstreuung von Elektronen an ausgedehnten Hindernissen, was zu einer wesentlich höheren Elektronengeschwindigkeit als in klassischen Halbleitern führt. Die Elektronenbeweglichkeit in Graphen kann bei Raumtemperatur tatsächlich um einen Faktor hundert größer sein als in Silizium. Das vermiedene Aufhalten durch Hindernisse wirft die grundlegende Frage auf, was die Elektronenbeweglichkeit letztendlich begrenzt. Interessanterweise kann es sich dabei um denselben Effekt handeln wie beim Wasserfluss: die Viskosität.

Die Viskosität beschreibt die Wechselwirkung zwischen Teilchen, die die Reibung an den umgebenden Wänden auf die strömende Flüssigkeit überträgt. Die übertragene Reibung bremst schließlich die gesamte Flüssigkeit ab. Die Relevanz viskoser Effekte für den Elektronenfluss in Graphen wurde in der Tat nachgewiesen, allerdings bisher nur in sehr sauberen Proben mit geringer Unordnung und hoher Mobilität. Die viel natürlichere Situation, dass sowohl Unordnung als auch Viskosität gemeinsam die Elektronengeschwindigkeit unterdrücken, wurde bisher nicht experimentell untersucht.

Forscher der RWTH Aachen und der AMO GmbH gingen dieser Frage nach, indem sie das elektrostatische Potenzial abbildeten, das aus dem Elektronenfluss resultiert. Sie untersuchten einen Graphen-Feldeffekttransistor, der mit einer skalierbaren Technologie hergestellt wurde, mit einer kleinen Metallspitze, die auf einem Ausleger montiert war, um das durch den Stromfluss durch das Bauelement induzierte Potenzial zu erfassen (Abb. 1a). Die Spitze wird von dem strominduzierten Potenzial abgestoßen oder angezogen und kann die Potenzialstärke mit einer räumlichen Auflösung von etwa 20 nm abbilden (Abb. 1b). Durch eine komplexe Hintergrundsubtraktion lässt sich das durch den Stromfluss induzierte Potenzial von anderen Effekten unterscheiden.

  Messungen am Feldeffekttransistor Urheberrecht: © Institut2b

(a) Messschema mit einem Feldeffekttransistor aus CVD-Graphen auf einem Si-Backgate und einem SiN-Dielektrikum. Der sich biegende Cantilever mit der an der Unterseite montierten Spitze ist oben eingezeichnet. Die Laserreflexion zeigt die Biegung des Cantilevers an. (b) Strominduziertes Potenzial (blau) und das daraus resultierende elektrische Feld in der Ebene (rot), dargestellt entlang des Stromflusses mit hervorgehobenen Bereichen mit negativem elektrischem Feld, wo das Feld dem angelegten Feld entgegengesetzt ist. (c) Karte des strominduzierten elektrischen Feldes bei niedriger Elektronendichte, dargestellt als Vektorfeld und als Farbcode für den Absolutwert in Stromflussrichtung. Einige weiße Pfeile zeigen gegen die Richtung des von außen angelegten Feldes (blauer Pfeil oben).

 

Die Autoren untersuchten diese Regionen mit versuchsweisem Aufwärtsfluss sorgfältig und stellten fest, dass sie in der Regel die geringste Störungsdichte aufweisen, so dass die Elektronen in diesen Bereichen schneller werden, was das Auftreten von viskosen Effekten begünstigt. Sie zeigten auch, dass der Effekt des Aufwärtsflusses vollständig unterdrückt werden kann, indem die Defektdichte durch leichten Beschuss mit Argon-Ionen künstlich erhöht wird.

Die Erstautorin der Arbeit Sayanti Samaddar, jetzt am National Physics Laboratory in London, fasst zusammen: "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Elektronenviskosität kein exotischer Effekt ist, der nur in ultrareinen Graphenproben auftritt, sondern dass sie auch in "alltäglichen Graphenbauteilen" vorhanden ist, die mit skalierbaren Techniken hergestellt werden, wie wir sie in zukünftigen kommerziellen Anwendungen von Graphen finden könnten." Zhenxing Wang, Leiter der Graphene Electronic Group bei der AMO GmbH und Mitautor der Studie, fügt hinzu: "Dieses schöne Ergebnis ist aus einer spontanen Zusammenarbeit zwischen Physikern und Ingenieuren hier in Aachen entstanden und könnte auch für uns als Ingenieure relevant sein, um das Verhalten unserer Geräte besser zu verstehen.

Original Link

Bibliographische Information:
Evidence for Local Spots of Viscous Electron Flow in Graphene at Moderate Mobility
S. Samaddar, J. Strasdas, K. Janßen, S. Just, T. Johnsen, Z. Wang, B. Uzlu, S. Li, D. Neumaier, M. Liebmann, and M. Morgenstern, Nano Letters 21, 9365 (2021). [arXiv:2103.11466]