Large negative differential transconductance in multilayer graphene: the role of intersubband scattering



본 논문에서는 볼츠만 수송 이론 (Boltzmann transport theory)을 이용하여 다층 그래핀 (multilayer graphene)에서 띠간 산란 (interband scattering)에 의해 전기전도도가 급격히 변하는 현상을 연구하였다. 다층 그래핀에서는 높은 전하 밀도 영역에서 페르미 에너지가 높은 에너지 띠 (high energy subband)에 이를 수 있고, 이 때 띠간 산란에 의해 전하전도도가 급격히 줄어드는 음미분전도도 (negative differential transconductance)가 발생함을 보였다. 또한 대전된 불순물 (charged impurity)보다는 크리스탈 구조의 결함(defect) 등 단거리 (short-range) 산란을 주는 불순물이 중요한 역할을 하는 것을 밝혔다. 띠간 산란은 높은 에너지 띠의 상태 밀도 (density of states)에 큰 영향을 받기 때문에 소자 응용에 필요한 높은 음미분전도도 값을 얻기 위해서는 Bernal 다층 그래핀에 비해 rhombohedral 다층 그래핀이, 단일 게이트에 비해 이중 게이트에 의한 균일한 전하 운반체 도핑이 유리할 수 있음을 논의하였다.

We calculate the transport properties of multilayer graphene, considering the effect of multisubband scattering in a high density regime, where higher subbands are occupied by charge carriers. To calculate the conductivity of multilayer graphene, we use the coupled multiband Boltzmann transport theory while fully incorporating the multiband scattering effects. We show that the allowed scattering channels, screening effects, chiral nature of the electronic structure, and type of impurity scatterings determine the transport behavior of multilayer graphene. We find that the conductivity of multilayer graphene shows a sudden change when the carriers begin to occupy the higher subbands, and therefore a large negative differential transconductance appears as the carrier density varies. These phenomena arise mostly from the intersubband scattering and the change in the density of states at the band touching density. Based on our results, it is possible to build novel devices utilizing the large negative differential transconductance in multilayer graphene.

Authors: Seungchan Woo (서울대), E. H. Hwang (성균관대), Hongki Min (서울대)
Journal: 2D Materials 4, 025090 (2017)
Publication date: 5 May 2017

https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa6e33