作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 石墨烯中的非平衡动力学，全球和局部探测
(一)器件原理图:六方氮化硼封装的石墨烯器件，在金刚石衬底上，含有纳米磁性中心
(插图)干净的hBN封装器件A1的光学图像(6微米x5
4微米(B)声子切伦科夫发射条件:当vD >时；vs，受激声子(ph)发射超过吸收(右)
(C)器件A1的双探针电阻与载流子密度的关系(T = 10 K)
(四)清洁器件A1(蓝色)和无序器件B1 (7微米×18微米，黑色)中作为外加电场函数的电流密度(T = 80 K)
灰色虚线表示纵向声学模式的vD=vs
(五)器件A1(蓝色)和B1(黑色)中作为偏置功率函数的全局电子噪声功率谱密度(平均在100至300兆赫之间)
蓝色曲线满足vD>。P >的vs；0
12 μW/μm2
(六)金刚石衬底上清洁器件C1中局部磁噪声(用纳磁计测量)与外加偏置功率的关系
误差线代表95%的置信区间
学分:理科，doi: 10
1126/科学
aaw2104 理解非平衡现象以有效控制它是科学和工程中的一个突出挑战
在最近的一项研究中，特隆德
我
安德森和他在美国、日本和加拿大的物理系、化学系、材料科学系和工程系的同事用电来驱动超洁净石墨烯器件脱离平衡，并观察到在微波频率下表现出的不稳定性，如增强的电流波动和抑制的电导率
使用实验装置，他们发现在高漂移速度下的直流电在千兆赫频率下产生大幅度的噪声增加，并且噪声在电流方向上呈指数增长
安德森和他的同事将观察到的发射机制归功于切伦科夫效应(带电粒子以高于介质中光速的速度穿过绝缘材料产生的特有蓝光)对声学声子的放大，并在《科学》杂志上发表了研究结果
科学家们使用纳米级磁场传感器对非平衡电流波动进行了空间映射，以揭示它们沿着载流子流动的方向呈指数增长
Andersen等人
将观察到的现象对密度和温度的依赖性归功于超音速漂移速度下的电子-声子切伦科夫不稳定性
当电子传导的漂移速度大于介质中的声速(VD>VS)时，由于受迫切伦科夫发射，某些声子数随时间增加，出现超音速漂移速度
实验结果为在二维材料上产生可调谐太赫兹频率和构建有源声子器件提供了机会
在电子和光学系统中驱动的非平衡现象显示出丰富的动力学特性，可以用于耿氏二极管和激光器
二维材料，如石墨烯，是探索这种现象的一个越来越受欢迎的新平台
例如，现代超净石墨烯器件表现出高迁移率，并且可以被驱动到高电子速度，预测的不稳定性包括电子流体中的流体动力学不稳定性和驱动电子可以放大等离子体激元的Dyakonov-Shur不稳定性
顶部:测量电路
测量噪声(红色方框)和交流微分电导率(黄色方框)的电路图
左图:金刚石衬底上的器件制造
(一)器件原理图:单层石墨烯(灰链)是石墨与六方氮化硼(hBN)接触封装而成
几层石墨烯(FLG)被用作顶栅
(B-H)器件制造的显微照片，比例尺为40米(B)-(G)和500米(H)
(二)剥离石墨烯
白色虚线表示单层区域
金刚石衬底上的完整叠层，具有浅注入(40-60纳米深)非易失性中心
(四)传递参考噪声的初始触点和导线(最左侧电极)
(五)蚀刻后的器件，以确定几何形状
通过蚀刻和随后的热蒸发构造的边缘接触
具有用于从边缘触点断开顶栅的蚀刻掩模的器件
请注意，图像中可见的波纹完全包含在顶栅石墨烯中，并且由于厚的(90纳米)hBN电介质，预计不会影响c沟道石墨烯的传输特性
全(2×2平方毫米)单晶金刚石，带引线键合装置
右图:硅/二氧化硅衬底上的器件制造
(一)器件原理图:单层石墨烯(灰链)用六方氮化硼(hBN)封装
硅衬底被用作全局背栅
(二)-(六)带有20米比例尺的器件制造显微照片
(二)剥离石墨烯
(三)在基板上完成堆叠
(四)初次接触
通过蚀刻和随后的热蒸发构造的边缘接触
几何限定蚀刻后的器件
学分:理科，doi: 10
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aaw2104 因此，在极端非平衡条件下对石墨烯电子性质的研究为评估和监测奇异的输运现象提供了一个有效的实验平台
除了使用高频信号产生之外，安德森等人
研究了包含极高电子漂移速度的超净石墨烯器件中电子传输过程中潜在的非平衡动力学
理解非平衡动力学对于石墨烯的许多技术应用至关重要；包括高频晶体管、超快白炽光源和柔性传输互连
然而，由于在高漂移速度下声子散射的增加，在实践中很难实现电子稳定性
原则上，虽然声子散射损失通常是不可逆的，但是长寿命的声子可以作为实验装置中不稳定性的主要来源
当电子漂移速度(VD)超过声速(VS)时，声子发射变得大于声子吸收，导致声子总数的指数增长，称为声子切伦科夫放大
这种现象作为一种产生高频声波的技术在理论上进行了长期的探索，随后在体系统和半导体超晶格中使用声学和光学测量获得了相关的实验证据
用NV磁测法进行空间分辨局部噪声测量
(一)NV的荧光图像集中在设备C2下方，并添加了假彩色触点和边框
当电流密度j = 0毫安/微米(深蓝色)和j = 0时，从极化状态到热状态的NV自旋弛豫(虚线)
19毫安/微米(浅蓝色)通过该装置
实线是拟合
ms，自旋量子数
(C)漏极接触附近的局部磁噪声是石墨烯电流密度(器件C1)在电子(e)-和空穴(h)-掺杂状态(分别为蓝色和红色)下的函数
(四)j = 0时局部磁噪声(设备C2)的空间分布图
18毫安/微米，n = 0
92×1012cm-2
由于切伦科夫放大，空间分布与声子的指数增长相一致
黑色虚线显示了理论预测的过剩声子数(抵消背景噪声)
a
u
，任意单位
(五)通过改变电流方向(左)或载流子符号(右)，使生长方向反转
误差线代表95%的置信区间
学分:理科，doi: 10
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aaw2104 在目前的工作中，安徒生等人
使用在金刚石和硅/二氧化硅衬底上制作的电选通石墨烯器件，在低温(温度= 10至80 K)下封装在六方氮化硼(hBN)中，进行所提出的实验
实验装置为迁移率在20至40 m2/V范围内的超净石墨烯系统提供了低偏置传输特性
相当于近弹道运输
由于高迁移率，载流子可以被电场加速到高漂移速度，以观察非线性电流响应，而无序器件则相反地表现出线性欧姆行为
为了研究非平衡行为，首先，安德森等人
用频谱分析仪测量源漏电流中的整体噪声，同时改变施加的偏置功率
结果表明，封装在hBN中的低无序石墨烯器件是一种新的噪声源
为了深入了解观察到的异常现象，科学家们通过在深度为40至60纳米的浅氮空位色心杂质的金刚石衬底上构建石墨烯器件，进行了空间分辨噪声测量
他们使用共焦显微镜测量了类似原子的自旋量子位，并通过测量产生的磁场来探测纳米尺度的电流噪声
Andersen等人
通过沿器件光学观察单个NV中心来测量它们的自旋弛豫速率，从而探测异常噪声的空间相关性
噪声与水流方向明显对称，这是一个意想不到的结果，因为整体噪声和输运性质与水流方向无关
然后利用器件门，安德森等人
证明了局部噪声信号依赖于动量的流向而非电荷
科学家们还表明，在载体进入点的噪声很小，但随着载体流经17米长的设备，噪声呈指数级增长
全球电子测量中的慢动力学
(一)n = 2 × 1012平方厘米时的总噪声谱
彩色曲线:清洁装置A2 (9
5微米乘11微米),偏差范围从0到0
8伏(从底部到顶部)
黑色曲线:无序器件B1以最大功率施加于器件A2(比例为7倍)
(二)交流微分电导率光谱(激发:20 dBm) (19)，偏置0至0
8伏[从上到下，颜色与(A)相同]
低频时实(重)分量被抑制
灰色曲线:0处的虚(Im)分量
8伏
黑色曲线很合适
(C和D)在与(A)和(B)中的最大值相似的电场下，噪声和电导率谱中的特征在较短的(6-微米)器件(器件A1)中向更高的频率移动
(E和F)从(B)和(D)中提取作为漂移速度和器件长度的函数的穿越时间
虚线曲线对应石墨烯中的声速[浅灰色，横向声学(TA)；深灰色，纵向声学(LA)]
(七)驱动电子-声子系统中重要速率的动画
在切伦科夫放大过程中，在电子测量中观察到的相关时间受到声子穿越时间的限制，TT = 1/vs
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aaw2104 科学家们一直用电声切伦科夫不稳定性来解释所有的观察结果
作为这项研究的关键见解，安德森等人
表明当电子漂移速度超过声速(超音速漂移速度)时，向前运动的声学声子经历了比吸收更快的模拟发射速率
原始石墨烯也显示出长的声学声子寿命；因此，发射的声子可以刺激装置中指数增长的发射
当他们用数学方法模拟这些效应时，结果与实验结果吻合得很好，而异常噪声随着器件长度的增加而进一步增加
该模型预测，观察到的电子-声子不稳定性将产生电导率谱
科学家们继续利用电子-声子系统模型探索非平衡动力学
对镀液温度和电荷密度的依赖性
(a)在恒定漂移速度和n = 2×10^12 cm-2下作为熔池温度函数的整体噪声PSD
(二)计算的声子发射峰值频率，可以通过石墨烯载流子密度(蓝色:Te = 0K；红色:Te = 320 K)
不同器件长度下作为载流子密度函数的归一化全局电流噪声(j = 0
6毫安/微米)
实线显示预测的总声子发射
(四)与(三)中相比，更多种类样品的噪声峰值的电荷密度，拟合(蓝色)
误差线代表载波密度的采样间隔
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由于切伦科夫放大对声子寿命很敏感，科学家们预计由于非简谐振动衰减较慢，这种效应会在较低的温度下增强
然而，正如安德森等人所说
将温度从300°降低到10 k时，他们观察到噪声大幅增加，与低驱动(vD≲vs)时观察到的热噪声下降形成鲜明对比，这表明放大过程受到热占据模式散射的限制
这样，安徒生等人
详细描述了如何在2D材料中演示由电子-声子不稳定性产生的非平衡动力学
在实验中，驱动的电子-声子系统显示了丰富的非平衡动力学，值得进一步研究，使用新技术直接表征声子谱并获得进一步的见解
先前的理论研究预测石墨烯中的声子放大频率高达10太赫兹，大大高于其他几种材料
该实验系统可以在单个微米级器件中提供纯电产生和声子放大，具有宽频率可调性
Andersen等人
设想将探索耦合到机械腔以开发声子激光器，并将放大的声波向外耦合到远场太赫兹辐射的应用，用于医学成像和安全筛查成像(由于提供的成像透明度)、无线通信、质量控制和制造应用中的过程监控
安德森等人的结果
在未来的工作中，代表着朝着开发用于多学科应用的新一代有源声子和光子器件迈出的有希望的一步
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