اثر ناخالصی باردار بر رسانش الکتریکی در گرافیت دو بعدی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه فیزیک -دانشگاه بوعلی سینا-همدان

2 گروه فیزیک-دانشگاه صنعتی همدان-همدان

چکیده

چکیده
در این کار پژوهشی با لحاظ ناخالصی‌های باردار به عنوان مراکز پراکندگی، اثر آن‌ها را روی رسانش متناظر در یک لایه گرافیت دوبعدی مطالعه می‌کنیم. ابتدا با توجه به اهمیت اثر استتار روی ناخالصی‌ها و تابع پلاریزاسیون استاتیک، با استفاده از تقریب جرم مؤثر و معادلهٔ k.p، رسانش را بر حسب چگالی حامل‌های صفحه‌ای در دماهای مختلف محاسبه و رسم می‌کنیم. نشان داده‌ایم که رسانش در دماهای پایین رفتاری فلزی و در دماهای بالا به صورت عایق عمل می‌کند. محاسبه و ترابرد حامل‌های بار و اثر توزیع‌های مختلف ناخالصی باردار بر رسانش را، در دو حالت توزیع ناخالصی‌ها به صورت تصادفی و به صورت خوشه‌ای محاسبه و رسم می‌کنیم. نتایج به دست آمده با داده‌های تجربی و نظری اخیر مطابقت دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of charged-impurity on the electrical conductivity in two dimensional graphite

نویسنده [English]

  • Mohammad Bahrami Moghaddas 2
2 Deparment of physics, Hamadan University of Technology, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Abstract
In this article regarding the charged impurities as scattering centers, we investigate their effects on the conductivity in the two dimensional graphite. First by considering the importance of the influence of screening on the impurities and static polarization, by the use of effective mass approximation and k.p equation, the conductivity versus sheet carrier concentration for different temperatures is calculated and plotted. We have shown that the conductivity at low temperatures behaves like a metal, while at high temperatures shows insulating behavior. Also the charged carrier transport and the effect of different charged impurity distributions for the two impurity distribution cases of uniform random and cluster is calculated and studied. The obtained results are in agreement to recent experimental and theoretical data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two dimensional graphite
  • screening effect
  • charged impurities
  • Electrical conductivity
  • random distribution
  • clustered distribution

[1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V.Grigorieva, A.A. Firsov, Modifying electronic transport properties of graphene by electron beam irradiation, Science 306 666 (2004) 666-669.

[2] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, M.I. Katsnelson, V. Grigorieva, S.V. Dubonos, A.A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme, Nature 438 (2005) 197-200.

[3] X.-Y. Fang et al., Temperature and thickness-dependent of electrical conductivity of few-layer graphene and graphene nanosheets, Physics Letters A 379 (2015) 224-2251.

[4] ق. انصاری‌پور، ب. شایقی، استتار کوانتومی گاز الکترونی یک بعدی در نانوسیم‌های InAs و ZnO در محیط دی الکتریک، مجلة پژوهش سیستم‌های بس‌ذره‌ای 5 10 (1395)، 6-1.

[4] G. Ansaripour, B. Shayeghy, Quantum screening of one dimensional electron gas of ZnO and InAs nanowires in dielectric environment, Journal Research of Many Body Particle Systems, 10 (2016) 1-6.

[5] ق. انصاری‌پور، محاسبة پتانسیل سطحی و جریان زیر آستانه در ماسفت‌های کانال کوتاه، مجلة پژوهش سیستم‌های بس‌ذره‌ای 1 1 (1390)، 8-1.

[5] G. Ansaripour, Calculation of surface potential and sub-threshold current in short channel MOSFETs, Journal Research of Many Body Particle Systems, 1, (2011) 1-8.

[6] ق. انصاری‌پور، زهرا باقری، بررسی خواصِ گرمایی گرافِنِ چند بلوری، مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا(س) 2 (1394)، 39-23.

[6] G. Ansaripour, Z. Bagheri, Investigation of thermal properties of polycrystalline graphene, Al-Zahra University Journal Applied Physics 2 (2015) 23-39.

[7] G. Ansaripour, The effect of hot phonons on the hole drift velocity in a p-type Si/SiGe modulation doped heterostructure, Thin Solid Films 517 21 (2009) 6105-6108.

[8] G. Ansaripour, "Mobility of holes in a Si/SiGe metal oxide semiconductor field effect transistor," Thin Solid Films 518 19 (2010) 5599-5603.

[9] S. Kaya, Y-P Zhao, J.R. Watling, A. Asenov, J.R. Barker, G. Ansaripour, G. Braithwaite, T.E. Whall, E.H.C. Parker, Indication of velocity overshoot in strained SiGe p-channel MOSFETs, Semiconductor Science Technology 5 (2000) 573-578.

[10] G. Ansaripour, G. Braithwaite, M. Myronov, O.A. Mironov, E.H.C. Parker, T.E. Whall, Energy loss rates of two-dimensional hole gases in inverted Si/SiGe heterostructures, Applied  Physics Letters 76 ( 2000) 1140-1142.

[11] R. Anicic, Z.L. Miskovic, Effects of the structure of charged impurities and dielectric environment on conductivity of graphene, Physical Review B 88 (2013) 205412.

[12] S. Wu, R. Yang, M. Cheng, W. Yang, G. Xie, P. Chen, D. Shi and G. Zhang, Defect-enhanced coupling between graphene and SiO2 substrate, Applied  Physics Letters 105 (2014) 063113-063115.

[13] E. Stolyarova, K.T. Rim, S. Ryu, J. Maultzsch, P. Kim, L.E. Brus, T.F. Heinz, M.S. Hybertsen and G.W. Flynn, Observation of graphene bubbles and effective mass transport under graphene films, Nano Letters 9 (2009) 332-337.

[14] Y. Li, N. Mason, Tunneling spectroscopy of graphene using planar Pb probes, Applied Physics Letters 102 (2013) 023102-023104.

[15] T.S. Li, M.F. Lin,, Electronic properties of bilayer bernal graphene in modulated magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 348 (2013) 61-67.

[16] M.S. Foster and I.L. Aleiner, Graphene via large N: A renormalization group study, Physical Review B 77 (2008) 195413.

[17] S. Adam, P.W. Brower, Crossover from quantum to Boltzmann transport in graphene, Physical Review B 79 (2009) 201404.

[18] A. Altland, Magnetotransport in disordered graphene: exposed to zone: from weak to strong localization, Physical Review B 81 (2010) 205445.

[19] T. Ando, Screening Effect and Impurity Scattering in Monolayer Graphene, Journal Physics Society of Japan. 75 (2006) 074716.

[20] J. Gonzalez, F. Guinea, V.A.M. Vozmediano, Quantum critical transport in clean graphene, Nuclear Physics B 424 (1994) 595

[21] Y.-W. Tan, Y. Zhang, K. Bolotin, Y. Zhao, S. Adam, E.H. Hwang, S. Das Sarma, H.L. Stormer, and P. Kim, Measurement of scattering rate and minimum conductivity in graphene, Physical Review Letters 99 (2007)  246803.

[22] S. Adam, E.H. Hwang, E. Rossi, S. Das Sarma, Theory of charged impurity scattering in two dimensional graphene, Solid State Communication 149 (2009) 1072-1079.

[23] S. Das Sarma, E.H. Hwang, Plasmons in Coupled Bilayer Structures, Physical Review Letters 83 (1999) 164.

[24] T. Fang, A. Konar, H. Xing, D. Jena, Applied Physics Letters 91 (2007) 092109-092111

[25] Q. Li, E.H. Hwang, E. Rossi, S. Das Sarma, Physical Review Letters 107 (2011) 156601.

[26] N. Sule, S.C. Hagness, I. Knezevic, Clustered impurities and carrier
transport in supported graphene, Physical Review B89 (2014) 165402.

[27] S. Adam, E.H. Hwang, V.M. Galitski, S. Das Sarma, A self-consistent theory for graphene transport, Proceedings of the National Academy of  Sciences 104 (2007) 18392-18397.

[28] E. Rossi, S. Das Sarma, Ground state of graphene in the presence of
random charged impurities, Physical Review Letters 101 (2008) 166803.