[논문]더블 전자 층 간의 상호관계와 드래그 현상

이가영

doi:10.31613/ceramist.2018.21.2.02

더블 전자 층 간의 상호관계와 드래그 현상
Interlayer interaction and frictional drag in double layer electron systems 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.2, 2018년, pp.131 - 140

이가영 (광주과학기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

Coulomb drag is an effective probe into interlayer interaction between two electron systems in close proximity. For example, it can be a measure of momentum, phonon, or energy transfer between the two systems. The most exotic phenomenon would be when bosonic indirect excitons (electron-hole pairs) are formed in double layer systems where electrons and holes are populated in the opposite layers. In this review, we present various drag phenomena observed in different double layer electron systems, e.g. GaAs/AlGaAs heterostructures and two-dimensional material based heterostructures. In particular, we address the different behavior of Coulomb drag depending on its origin such as momentum or energy transfer between the two layers and exciton condensation. We also discuss why it is difficult to achieve electron-hole pairs in double layer electron systems in equilibrium.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 리뷰 논문에서는 지금까지 발표된 드래그를 발생시킬 수 있는 다양한 원리들, 즉 입자 이동이 제한된 두 인접한 이차원 전자 혹은 홀 층 간의 다양한 상호작용에 대하여 논의한다. 특히 과거의 GaAs 기반 더블 층 시스템의 연구와 최근 이차원 재료 기반 시스템의 연구를 비교하며 소개하도록 할 것이다.

제안 방법

Fig. 3에 간략히 묘사된 바와 같이 콜비노(Corbino) 구조의 GaAs/AlGaAs 적층 시스템에서 밴드 엔지니어링을 통하여 인접한 전자 층과 홀 층을 형성하고, 고자기장하 νT= 1에서 드라이브 층에 전류를 흘리며 맞은 편 층에 인가된 전류, 즉 드래그 전류를 측정하였다10).
앞서 금속 산화물을 층간 장벽으로 사용한 경우에 비하여 육각 붕소질화물을 이용한 경우 연구진들은 극히 높은 그래핀 이동도와 함께 10배 정도 높은 드래그 저항을 얻을 수 있었다. 또한 위 층 그래핀과 아래 층 그래핀의 전하 밀도를 더 넓은 범위에서 제어하여 전자-전자, 전자-홀, 홀-전자, 그리고 홀-홀의 네 구간 모두 체계적으로 측정되었다. 하지만 드래그 저항이 온도의 제곱에 비례하는 등 전체적인 경향은 앞선 연구와 부합하며 측정된 드래그는 주로 층간 운동량 교환으로 설명된다.
여기서 층간 간격은 25 nm이며, 전자 층과 홀 층 모두 전자밀도가 7 × 1010cm-2혹은 1 × 1011cm-2일 때 홀 층과 전자 층을 드래그 층 혹은 드라이브 층으로 서로 번갈아 가며 드래그 측정이 이루어졌다.

성능/효과

50 K 이상의 온도에서는 기존의 다른 시스템에서 관측 되어온 운동량 전달에 기반한 드래그 현상이 나타났다. 즉, 두 층의 극성이 같을 때에는 음의 드래그 저항이, 반면 두 층의 극성이 반대일 때에는 양의 드래그 저항이 관측되었으며, 그 크기는 온도의 제곱에 비례하였다.
9은 펠티에 상수(Peltier coefficient, Q)의 페르미 준위에 의한 미분값과 드래그 저항의 경향이 매우 유사함을 보여준다. 즉, 관측된 드래그 현상은 드라이브 층에서의 열전 현상과 드라이브 층과 드래그 층 사이의 매우 효율적인 에너지 전달과 관련이 있음을 의미 한다. 단층 그래핀과 이중층 그래핀의 선형 혹은 포물선 형의 에너지-운동량 분산 차이에 의하여 단층 그래핀의 경우 전하 중성점에서의 펠티에 상수가 0이 되는데 반하여, 이중층 그래핀은 특정 값을 지닌다(그 값은 온도, 이동도, 전도도 등에 의하여 결정된다).
50 K 이상의 온도에서는 기존의 다른 시스템에서 관측 되어온 운동량 전달에 기반한 드래그 현상이 나타났다. 즉, 두 층의 극성이 같을 때에는 음의 드래그 저항이, 반면 두 층의 극성이 반대일 때에는 양의 드래그 저항이 관측되었으며, 그 크기는 온도의 제곱에 비례하였다. 최근 더블 이중층 그래핀 적층 시스템을 이용하여 고자기장 하, 즉 양자 홀 상태에서도 드래그 현상이 연구되었고, 초유동성의 전자-홀 페어 상태가 실험적으로 관측되었다³¹⁾.

후속연구

반면 이중층 그래핀(bilayer graphene)은 포물선(parabolic) 형태의 에너지-운동량 분산을 가지고 있고, 이로 인하여 쿨롱 퍼텐셜 대 운동 에너지의 비율이 전자 밀도에 따라 가변적으로 약 10 정도까지 도달 가능하다 ^26,28). 따라서 더블 이중층 그래핀 시스템은 단층 그래핀 기반 시스템에 비하여 간접적 엑시톤 형성에 좀 더 유리할 것이라 기대된다.
이는 기본적으로 GaAs/AlGaAs 시스템에서의 현상과 같은 원리에 따른 것이지만 이차원 재료 기반의 더블층 시스템의 경우 GaAs/AlGaAs 구조에 비하여 더 넓은 구간에서 전하 밀도를 제어할 수 있으며, 전하의 극성 제어 또한 자유롭다. 또한 양자 홀 상태의 이중층 그래핀은 스핀, 두개의 층(혹은 벨리(valley)), 그리고 오비탈(orbital) 자유도 제어가 가능하므로 매우 다채로운 상황(phase)에서의 드래그 현상 및 다체(many-body) 현상이 향후 더 연구될 수 있을 것이라 생각한다.
일반적인 운동량 전달에 기반한 드래그 현상이라면 온도가 낮아질수록 그 크기가 작아져야 하지만 전하 중성점에서의 드래그 저항은 상온에서부터 온도가 낮아질수록 그 크기가 특이하게도 상승하였으며 약 70 K에서 최고점을 보이고 이후 다시 감소하였다. 본 측정 결과가 발표될 당시에는 명확하게 설명되지 않은 현상이었지만 향후 추가적인 이론적 연구를 통하여 이는 운동량이 아닌 층간 에너지 전달을 기반으로 설명되었다^3,23) .
특히 엑시톤 형성을 위하여 많은 과학자들이 서로 다른 시스템들을 다각도로 연구해왔다. 열적 평형 상태에서 그리고 자기장 없이, 전기 적으로 전하 밀도를 조절하여 엑시톤 형성을 제어할 수 있다면 극히 초전력 고성능의 차세대 소자 구현이 가능할 것이다. GaAs/AlGaAs 적층 구조에서 간접적 엑시톤이 열적 평형상태에서 관측되었지만 이는 오로지 고자기장 하에서만 가능하였다.
본 리뷰 논문에서는 지금까지 발표된 드래그를 발생시킬 수 있는 다양한 원리들, 즉 입자 이동이 제한된 두 인접한 이차원 전자 혹은 홀 층 간의 다양한 상호작용에 대하여 논의한다. 특히 과거의 GaAs 기반 더블 층 시스템의 연구와 최근 이차원 재료 기반 시스템의 연구를 비교하며 소개하도록 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드래그 측정 시 드라이브 층과 드래그 층은 각각 무엇을 의미하는가?	드래그 측정 시 전류를 흘려주는 층을 드라이브 층, 그리고 전압차가 발생하는 맞은편 층을 드래그 층이라 한다. 마찬가지로 드라이브 층에 흘려주는 전류를 드라이브 전류(I Drive ), 그리고 이로 인하여 발생하는 전압은 드래그 전압(V Drag )이라 한다.
	간접적(indirect) 엑시톤이란 무엇인가?	Fig. 1에 묘사된 바와 같이 전자와 홀을 얇은 포텐셜 장벽을 사이에 두어 분리시키면 엑시톤의 수명을 연장시킬 수있고 이러한 경우의 엑시톤을 간접적(indirect) 엑시톤이 라 한다 7) .
	쿨롱 드래그 (Coulomb drag) 현상은 무엇인가	쿨롱 드래그 (Coulomb drag) 현상은 그중 특히 흥미로운 현상 중 하나이다. 둘 이상의 이차원 전자 가스가 수직방향으로 매우 가깝게 위치하고, 둘 중 하나의 이차원 전자 층에 전류를 흘리면 반대쪽 전자 층에 전압차(드래그 전압)가 발생할 수 있다. 이는 두 이차원 전자 혹은 홀 층 간의 운동량 교환 1,2) , 에너지 전달 3) , 포논(phonon) 4) 등에 기인할 수 있다.

참고문헌 (31)

P. M. Solomon, P. J. Price, D. J. Frank, and D. C. La Tulipe, "New phenomena in coupled transport between 2D and 3D electron-gas layers," Phys. Rev. Lett., vol. 63, no. 22, pp. 2508-2511, Nov. 1989.

상세보기
T. J. Gramila, J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, "Mutual friction between parallel two-dimensional electron systems," Phys. Rev. Lett., vol. 66, no. 9, pp. 1216-1219, Mar. 1991.

상세보기
J. C. W. Song and L. S. Levitov, "Energy-Driven Drag at Charge Neutrality in Graphene," Phys. Rev. Lett., vol. 109, no. 23, p. 236602, Dec. 2012.

상세보기
H. Noh, S. Zelakiewicz, T. J. Gramila, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, "Phonon-mediated drag in doublelayer two-dimensional electron systems," Phys. Rev. B, vol. 59, no. 20, pp. 13114-13121, May 1999.

상세보기
S. K. Banerjee, L. F. Register, E. Tutuc, D. Reddy, and A. H. MacDonald, "Bilayer PseudoSpin Field-Effect Transistor (BiSFET): A Proposed New Logic Device," IEEE Electron Device Lett., vol. 30, no. 2, pp. 158-160, Feb. 2009.

상세보기
D. Reddy, L. F. Register, E. Tutuc, and S. K. Banerjee, "Bilayer Pseudospin Field-Effect Transistor: Applications to Boolean Logic," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 57, no. 4, pp. 755-764, Apr. 2010.

상세보기
J. P. Eisenstein and A. H. MacDonald, "Bose-Einstein condensation of excitons in bilayer electron systems," Nature, vol. 432, no. 7018, pp. 691-694, Dec. 2004.

상세보기
M. Kellogg, I. B. Spielman, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, "Observation of Quantized Hall Drag in a Strongly Correlated Bilayer Electron System," Phys. Rev. Lett., vol. 88, no. 12, p. 126804, Mar. 2002.

상세보기
E. Tutuc, M. Shayegan, and D. A. Huse, "Counterflow Measurements in Strongly Correlated GaAs Hole Bilayers: Evidence for Electron-Hole Pairing," Phys. Rev. Lett., vol. 93, no. 3, p. 036802, Jul. 2004.

상세보기
D. Nandi, A. D. K. Finck, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, "Exciton condensation and perfect Coulomb drag," Nature, vol. 488, no. 7412, pp. 481-484, Aug. 2012.

상세보기
A. F. Croxall et al., "Anomalous Coulomb Drag in Electron-Hole Bilayers," Phys. Rev. Lett., vol. 101, no. 24, p. 246801, Dec. 2008.

상세보기
S. Kim, I. Jo, J. Nah, Z. Yao, S. K. Banerjee, and E. Tutuc, "Coulomb drag of massless fermions in graphene," Phys. Rev. B, vol. 83, no. 16, p. 161401, Apr. 2011.

상세보기
S. Kim and E. Tutuc, "Coulomb drag and magnetotransport in graphene double layers," Solid State Commun., vol. 152, no. 15, pp. 1283-1288, Aug. 2012.

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R. V. Gorbachev et al., "Strong Coulomb drag and broken symmetry in double-layer graphene," Nat. Phys., vol. 8, no. 12, pp. 896-901, Dec. 2012.

상세보기
K. Lee, J. Xue, D. C. Dillen, K. Watanabe, T. Taniguchi, and E. Tutuc, "Giant Frictional Drag in Double Bilayer Graphene Heterostructures," Phys. Rev. Lett., vol. 117, no. 4, p. 046803, Jul. 2016.

상세보기
J. I. A. Li, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Hone, A. Levchenko, and C. R. Dean, "Negative Coulomb Drag in Double Bilayer Graphene," Phys. Rev. Lett., vol. 117, no. 4, p. 046802, Jul. 2016.

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A. Gamucci et al., "Anomalous low-temperature Coulomb drag in graphene-GaAs heterostructures," Nat. Commun., vol. 5, p. 5824, Dec. 2014.

상세보기
A. K. Geim and I. V. Grigorieva, "Van der Waals heterostructures," Nature, vol. 499, no. 7459, p. 419, Jul. 2013.

상세보기
K. S. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho, and A. H. C. Neto, "2D materials and van der Waals heterostructures," Science, vol. 353, no. 6298, p. aac9439, Jul. 2016.

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L. Britnell et al., "Resonant tunnelling and negative differential conductance in graphene transistors," Nat. Commun., vol. 4, p. 1794, Apr. 2013.

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H. Min, R. Bistritzer, J.-J. Su, and A. H. MacDonald, "Room-temperature superfluidity in graphene bilayers," Phys. Rev. B, vol. 78, no. 12, p. 121401, Sep. 2008.

상세보기
C. R. Dean et al., "Boron nitride substrates for highquality graphene electronics," Nat. Nanotechnol., vol. 5, no. 10, pp. 722-726, Oct. 2010.

상세보기
J. C. W. Song, D. A. Abanin, and L. S. Levitov, "Coulomb Drag Mechanisms in Graphene," Nano Lett., vol. 13, no. 8, pp. 3631-3637, Aug. 2013.

상세보기
G. M. Rutter, S. Jung, N. N. Klimov, D. B. Newell, N. B. Zhitenev, and J. A. Stroscio, "Microscopic polarization in bilayer graphene," Nat. Phys., vol. 7, no. 8, pp. 649-655, Aug. 2011.

상세보기
J. Xue et al., "Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride," Nat. Mater., vol. 10, no. 4, pp. 282-285, Apr. 2011.

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A. Perali, D. Neilson, and A. R. Hamilton, "High-Temperature Superfluidity in Double-Bilayer Graphene," Phys. Rev. Lett., vol. 110, no. 14, p. 146803, Apr. 2013.

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A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, "The electronic properties of graphene," Rev. Mod. Phys., vol. 81, no. 1, pp. 109-162, Jan. 2009.

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K. Lee et al., "Chemical potential and quantum Hall ferromagnetism in bilayer graphene," Science, vol. 345, no. 6192, pp. 58-61, Jul. 2014.

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J. B. Oostinga, H. B. Heersche, X. Liu, A. F. Morpurgo, and L. M. K. Vandersypen, "Gate-induced insulating state in bilayer graphene devices," Nat. Mater., vol. 7, no. 2, pp. 151-157, Feb. 2008.

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J.-J. Su and A. H. MacDonald, "Spatially indirect exciton condensate phases in double bilayer graphene," Phys. Rev. B, vol. 95, no. 4, p. 045416, Jan. 2017.

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J. I. A. Li, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Hone, and C. R. Dean, "Excitonic superfluid phase in doble bilayer graphene," Nat. Phys., vol. 13, no. 8, pp. 751-755, Aug. 2017.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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