室温下单层石墨烯中电流涡旋的纳米级扫描磁力成像技术

如果电子之间的碰撞在与杂质的碰撞和样品中的晶格激发中占主导地位，那么导体中的电子输运可以显示出类似于流体流动的性质。在石墨烯中已经发现了这种流体动力学机制的特征，但作为流体动力学理论的预测，静止涡仍难以观察。

基于此，苏黎世联邦理工学院Christian L. Degen等人使用纳米级扫描磁力计，在室温下对单层石墨烯器件中独特的流体动力传输模式（静止电流涡旋）进行了成像。作者演示了在室温下使用扫描氮空位（NV）磁力测量对单层石墨烯（MLG）器件中的固定电流漩涡进行直接成像，研究了从无涡流到涡流（存在单个涡流）的交叉状态，发现涡流特征在最小的设备中最为明显，并且随着设备尺寸的增加而消失。在电子和空穴主导的区域中观察到了漩涡，但在掺杂接近电荷中性时没有观察到漩涡，作者将这种效应归因于电荷中性附近涡度扩散长度的减小。总的来说，测量结果可以通过流体动力学描述得到很好的解释，并明确排除单纯的扩散理论。该工作展示了局部成像技术在揭示奇异介观输运现象方面的力量。

电流旋涡的成像

本工作MLG 装置由带有圆盘形侧袋的均匀通道组成，临界长度尺度主要由圆盘开口a设定。圆盘中的电流方向（同流或逆流）可以作为区分扩散和流体动力传输的标志。为了绘制通道和圆盘中的电流分布图，作者使用扫描NV磁力计实现了MLG片上方约70 nm处的电流产生的磁场成像。即使2 至 30 mA 的电流幅度I0，该电流幅度足够小，不会加热电子气，但仍然可以轻松地被磁力计检测到。

图1 扫描实验示意图

图2 观察电流漩涡

从粘性传输过渡到扩散主导传输

为了进一步支持流体动力学模型，作者对固定载流子密度n≈-1.7×1012 cm−2 下几个圆盘中的电流进行了成像。涡流一直存在直至R=1.0 mm，而最大盘 (R=1.5 mm) 则不存在涡流，表明从粘度主导的传输状态转变，作者通过数值模拟准确地再现了这种转变。

图3 磁盘大小决定传输机制

空穴和电子载流子

接下来，作者将注意力转向涡流的载流子密度依赖性。结果表明，在空穴主导和电子主导的情况下都观察到涡流。然而，电流回流在电荷中性附近消失。为了进行更定量的分析，作者记录了一系列不同载流子密度的磁场图，并将它们与数值模拟进行拟合以提取Dn 值，发现空穴的Dn比电子的Dn稍大。

图4 Gurzhi长度的载流子依赖性

审核编辑：黄飞