Electron–Phonon Interactions and the Intrinsic Electrical Resistivity of Graphene

전자 소자를 아무리 흠이 없게 만들어도 전기 저항이 반드시 생기는데 이는 전자-포논 상호작용이 있어서이다. 2010년에 컬럼비아 대학의 김필립 교수 그룹에서 그래핀의 고유 전기 저항을 온도와 전하 밀도의 함수로 측정한 실험 결과를 [D. K. Efetov and P. Kim, Phys. Rev. Lett. 105, 256805 (2010)] 해석하기 위한 정량적인 이론이 있었지만 4배에서 [K. M. Borysenko et al., Phys. Rev. B 81, 121412 (2010)] 13배까지 [K. Kaasbjerg et al., Phys. Rev. B 85, 165440 (2012)] 실험 값보다 작은 결과를 보고하였다. 나노레터 3월호에 실린 이번 연구는 김필립 교수의 실험 결과를 정량적으로 설명할 수 있었고 실험에서 들여다보지 않은 높은 온도에서 저항의 온도에 대한 증가가 급격히 증가함을 예측하였는데 이 결과는 실온에서 작동하는 그래핀 전자 소자를 만들 때 중요한 의미를 지닌다. 또한 Tsuneya Ando 교수가 주장한 바, deformation potential 이 gauge field 보다 중요하다, 가 틀림을 보였고, 광학적 포논(0.2eV 혹은 1,800K)이 실온 저항에 50%나 기여한다는 비직관적인 발견을 하였다.

Abstract: We present a first-principles study of the temperature- and density-dependent intrinsic electrical resistivity of graphene. We use density-functional theory and density-functional perturbation theory together with very accurate Wannier interpolations to compute all electronic and vibrational properties and electron–phonon coupling matrix elements; the phonon-limited resistivity is then calculated within a Boltzmann-transport approach. An effective tight-binding model, validated against first-principles results, is also used to study the role of electron–electron interactions at the level of many-body perturbation theory. The results found are in excellent agreement with recent experimental data on graphene samples at high carrier densities and elucidate the role of the different phonon modes in limiting electron mobility. Moreover, we find that the resistivity arising from scattering with transverse acoustic phonons is 2.5 times higher than that from longitudinal acoustic phonons. Last, high-energy, optical, and zone-boundary phonons contribute as much as acoustic phonons to the intrinsic electrical resistivity even at room temperature and become dominant at higher temperatures.

Link: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl402696q
논문: C.-H. Park, N. Bonini, T. Sohier, G. Samsonidze, B. Kozinsky, M. Calandra and N. Marzari, “Electron-phonon interactions and the intrinsic electrical resistivity of graphene,” Nano Letters 14, 1113 (2014).