利用热电势研究外延石墨烯纳米带的多体量子输运性质

Recently, more and more experiments have reported the hydrodynamics of electrons in single-layer graphene due to electron-electron scattering. Among them, as one of the important means to detect the electronic transport properties of materials-thermoelectric power has been becoming a research hot spot upon this field. We all known that it is difficult to avoid many kinds of scattering coupling in the transport processes of electrons, but the unique electronic structure makes it possible to observe the dominant contribution of electron-electron scattering in graphene. However, limited by the current experimental methods and technique, intrinsic transport mechanisms of the observations on ultrahigh conductance and deviation of thermopower from the classical Mott law in graphene are still necessary to open a diversified route in experimentally. The proposal intends to effectively control electron-electron and phonon-electron scattering mechanisms by adjusting defect and edge structures in epigraphene nanoribbons, and systematically explore and investigate the relation between the thermoelectric properties and direct electrical transport properties. The study of this proposal would not only reveal the electronic conduction mechanisms dominated by electron-electron scattering in a two-dimensional system, but also provide quantitative experimental methods and important information for the evaluation of electron and phonon scattering mechanisms and further the construction of reasonable electronic transport model.

最近，越来越多的实验报道了单层石墨烯中由电子-电子散射主导的流体动力学输运特性，其中作为探测材料电子特性的重要手段——热电性质已逐渐成为研究的热点。电子的输运过程很难避免多种散射耦合的影响，石墨烯本身的电子结构对声子散射有很好地抑制作用，有助于对电子-电子散射的实验观测。然而，受到目前实验方法和手段的限制，对单层石墨烯表现出的超高电导以及热电性质偏离经典莫特理论的内在输运机理尚不清楚，还需要实验上开辟多元化地探索途径。本项目拟制备结构完美的外延石墨烯纳米带，通过精确调节缺陷和边缘结构来调控纳米带的电子-电子和声子-电子散射强度，进而系统地探索热电性质与直接的电输运性质之间的关联，本项目的研究不仅有助于揭示二维体系中由电子-电子散射主导的电子输运机理，同时也将为评估石墨烯的电子及声子散射过程并建立合理的电子输运模型提供量化的实验方法和重要信息。

电子在输运过程中会受到缺陷或杂质等多种散射机制相耦合的作用，这增加了对以电子-电子散射为主导的输运机理的辨析及理解的难度。石墨烯的电子结构对声子散射有很好的抑制作用，理论上能有效地保持电子输运过程中的动量，是研究以电子-电子散射为主的电子输运过程的良好体系。.基于此背景，本课题是通过缺陷掺杂及边缘结构调控外延石墨烯纳米带的量子输运性质，具体研究内容包括：(1) 利用反应离子刻蚀和紫外臭氧产生氧等离子体对外延石墨烯引入缺陷，通过调节样品位置、作用功率、气流和作用时间来调控掺杂缺陷的浓度和类型；(2) 基于激光共聚焦拉曼光谱检测缺陷占比，从电学性质和热电性质测量来获取电阻率、霍尔效应、热电势等参量相对温度或载流子浓度的关系。(3) 通过在外延石墨烯纳米带上制备不同几何结构的纳米孔来实现对其电子结构和热电性质的调控，进而对电子输运过程及其响应进行周期性调制。实验上，实现了外延石墨烯纳米带器件的制备及加工，实验测得未掺杂缺陷石墨烯呈现出金属性导电行为，不超过3.6%的变化量反映了薄膜电子结构十分干净。磁电阻测量结果显示电子退相干长度达319 nm，杂质散射长度达13.2 um，电子退相干长度相对温度成线性依赖关系，满足二维弱局域理论中以电子-电子散射为主导的结果，表明石墨烯纳米带的电子输运过程是由强的电子-电子散射占主导。随着缺陷掺杂，电阻-温度行为转变到非金属性。磁电阻曲线显示由负磁电阻向正磁电阻的转变，表明主要的输运过程由电子-电子散射逐渐转变到杂质散射。热电势结果显示缺陷掺杂后热电势相对温度的行为由线性转变到非线性，且符号改变，主要载流子发生了转变。缺陷作用后，热导率也明显降低。总之，缺陷调控对电子输运性质和热电性质起到很好的调制作用，能有效优化热电性能。本课题的研究工作有助于以热电势为探针增强对石墨烯中由电子-电子散射主导的输运机理的理解，并为石墨烯应用于新型热电器件提供了有前景的实验参考。