如果電子之間的碰撞在與雜質(zhì)的碰撞和樣品中的晶格激發(fā)中占主導(dǎo)地位，那么導(dǎo)體中的電子輸運(yùn)可以顯示出類似于流體流動(dòng)的性質(zhì)。在石墨烯中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制的特征，但作為流體動(dòng)力學(xué)理論的預(yù)測(cè)，靜止渦仍難以觀察。

基于此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Christian L. Degen等人使用納米級(jí)掃描磁力計(jì)，在室溫下對(duì)單層石墨烯器件中獨(dú)特的流體動(dòng)力傳輸模式（靜止電流渦旋）進(jìn)行了成像。作者演示了在室溫下使用掃描氮空位（NV）磁力測(cè)量對(duì)單層石墨烯（MLG）器件中的固定電流漩渦進(jìn)行直接成像，研究了從無(wú)渦流到渦流（存在單個(gè)渦流）的交叉狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)渦流特征在最小的設(shè)備中最為明顯，并且隨著設(shè)備尺寸的增加而消失。在電子和空穴主導(dǎo)的區(qū)域中觀察到了漩渦，但在摻雜接近電荷中性時(shí)沒(méi)有觀察到漩渦，作者將這種效應(yīng)歸因于電荷中性附近渦度擴(kuò)散長(zhǎng)度的減小?？偟膩?lái)說(shuō)，測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)描述得到很好的解釋，并明確排除單純的擴(kuò)散理論。該工作展示了局部成像技術(shù)在揭示奇異介觀輸運(yùn)現(xiàn)象方面的力量。

電流旋渦的成像

本工作MLG 裝置由帶有圓盤形側(cè)袋的均勻通道組成，臨界長(zhǎng)度尺度主要由圓盤開(kāi)口a設(shè)定。圓盤中的電流方向（同流或逆流）可以作為區(qū)分?jǐn)U散和流體動(dòng)力傳輸?shù)臉?biāo)志。為了繪制通道和圓盤中的電流分布圖，作者使用掃描NV磁力計(jì)實(shí)現(xiàn)了MLG片上方約70 nm處的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)成像。即使2 至 30 mA 的電流幅度I0，該電流幅度足夠小，不會(huì)加熱電子氣，但仍然可以輕松地被磁力計(jì)檢測(cè)到。

圖1 掃描實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 觀察電流漩渦

從粘性傳輸過(guò)渡到擴(kuò)散主導(dǎo)傳輸

為了進(jìn)一步支持流體動(dòng)力學(xué)模型，作者對(duì)固定載流子密度n≈-1.7×1012 cm?2 下幾個(gè)圓盤中的電流進(jìn)行了成像。渦流一直存在直至R=1.0 mm，而最大盤 (R=1.5 mm) 則不存在渦流，表明從粘度主導(dǎo)的傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)變，作者通過(guò)數(shù)值模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)變。

圖3 磁盤大小決定傳輸機(jī)制

空穴和電子載流子

接下來(lái)，作者將注意力轉(zhuǎn)向渦流的載流子密度依賴性。結(jié)果表明，在空穴主導(dǎo)和電子主導(dǎo)的情況下都觀察到渦流。然而，電流回流在電荷中性附近消失。為了進(jìn)行更定量的分析，作者記錄了一系列不同載流子密度的磁場(chǎng)圖，并將它們與數(shù)值模擬進(jìn)行擬合以提取Dn 值，發(fā)現(xiàn)空穴的Dn比電子的Dn稍大。

圖4 Gurzhi長(zhǎng)度的載流子依賴性

審核編輯：黃飛

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