能斯特效應(yīng)是一種橫向熱電現(xiàn)象，因其在能量轉(zhuǎn)換、熱電學(xué)和自旋電子學(xué)中的潛力而備受關(guān)注。然而，在低溫下實(shí)現(xiàn)高性能和多功能性仍然難以實(shí)現(xiàn)。在這里，我們通過在場效應(yīng)幾何中將石墨烯的電特性與硒化銦的半導(dǎo)體特性相結(jié)合，展示了一種大型且電可調(diào)的能斯特效應(yīng)。我們的研究結(jié)果為探索和操縱這種熱電效應(yīng)建立了一個新平臺，展示了第一個開/關(guān)比為 103 的電可調(diào)性。此外，光電壓測量顯示，與單個組件相比，石墨烯/硒化銦異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的光能斯特信號更強(qiáng)。值得注意的是，我們在超低溫和低磁場下觀察到創(chuàng)紀(jì)錄的 66.4 μV K-1 T-1 能斯特系數(shù)，這是邁向量子信息和低溫突發(fā)現(xiàn)象應(yīng)用的重要一步。
圖 1. a、設(shè)備示意圖表示完全封裝的幾層 InSe 通道，帶有石墨烯電極。其中一個電極的兩側(cè)都與金觸點(diǎn)接觸，以測量受 InSe 影響的石墨烯。除非另有說明，否則掃描光電流圖是在 100 mK、50 µW 激光功率和 1 T 面外磁場下進(jìn)行的。b、典型的幾層 InSe 器件（在本例中為 3L InSe）的電子傳輸特性，在 50 mV 偏壓的低溫下進(jìn)行。c、帶有石墨烯電極的 3L InSe 器件的光學(xué)顯微照片。在石墨烯上測量的 1 T 光能斯特效應(yīng)的示例測量結(jié)果與感興趣的區(qū)域重疊。d、當(dāng)照明僅在石墨烯（深黃色）和 Gr/InSe（深紅色）上時，能斯特效應(yīng)的線性磁場依賴性。插圖顯示了 Nernst 效應(yīng)對 Gr 的功率依賴性以及相反磁場的符號變化，證實(shí)了該效應(yīng)的起源為光誘導(dǎo) Nernst 效應(yīng) (PNE)。
圖 2. a、用激光功率對 3L InSe/Gr 異質(zhì)結(jié)構(gòu) (深紅色) 進(jìn)行測量，將能斯特效應(yīng)強(qiáng)度歸一化為柵極電壓的函數(shù)。裸石墨烯的能斯特效應(yīng)作為比較 (藍(lán)色) 示出，為清晰起見進(jìn)行了偏移。b、以對數(shù)刻度繪制的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能斯特效應(yīng)強(qiáng)度，以突出顯示相當(dāng)大的開/關(guān)比。通過改變設(shè)備內(nèi)的載流子密度可以打開或關(guān)閉該效應(yīng)。灰色虛線表示 n 型傳導(dǎo)的開始，類似于 a。c、通過 Mott 關(guān)系計(jì)算出的塞貝克系數(shù)作為柵極電壓的函數(shù)，顯示為 300 K (黃色) 和 100 mK (紅色)。垂直灰色虛線表示設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)，其中塞貝克系數(shù)無法定義，因?yàn)樵O(shè)備的電阻很高，與儀器的輸入阻抗相當(dāng)38。 d，Gr/InSe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的柵極可調(diào)能斯特系數(shù)。該圖表示由于 β導(dǎo)致的真實(shí)值的下限。誤差線反映了溫度測定中存在的誤差。
圖3. a、設(shè)備示意圖，顯示 Gr/5L-InSe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的照明和 InSe 通道上的電檢測。b、與掃描光電壓圖同時測量的感興趣區(qū)域的激光反射圖。通過此測量，我們可以將激光的位置與觀察到的信號關(guān)聯(lián)起來。選擇用于記錄石墨烯和 Gr/InSe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的能斯特效應(yīng)信號的位置分別標(biāo)記為位置 1 和 2。c、通過改變磁場并在位置 1 和 2 下在 50 µW 激光照射和 Vg = 0 V 下記錄能斯特效應(yīng)信號，分別照射在石墨烯電極和異質(zhì)結(jié)構(gòu)上。裸露的石墨烯信號以藍(lán)色顯示，乘以 10 以更好地突出顯示兩條曲線之間的斜率差異。測量是在沒有施加任何偏置的情況下進(jìn)行的，因?yàn)樗鼤谏w能斯特效應(yīng)，從而在圖片中引起其他光電壓機(jī)制。 d、掃描光電壓圖顯示在施加的平面外電場為 –1 T 時測量到的整個器件的光電壓。此處的溫度梯度沿著石墨烯電極的方向，與磁場和測量電位正交。e、f、顯示的 0 T（e）和 1 T（f）的掃描光電壓圖。b、d-f 中的矩形表示石墨烯接觸。
圖 4. a，最近在參考文獻(xiàn)中分別報道的基于 InSe 的器件的場效應(yīng)兩端電子遷移率和開/關(guān)比的基準(zhǔn)測試。每個點(diǎn)都以 InSe 通道的厚度標(biāo)記。本研究中測量的值指的是橫向電子傳輸，并用紅色星號表示，顯示開/關(guān)比和場效應(yīng)遷移率都有顯著改善。b，不同材料5、11、12、14、18、41、60、61、62 和幾何形狀63、64 的低溫能斯特系數(shù)值。特別是，鉍顯示為黃色方塊，因?yàn)閾?jù)我們所知，它具有迄今為止報道的最佳性能。本研究中測量的值顯示為紅色星號。紅色箭頭表示在改變柵極電壓時，在 InSe 附近測量的石墨烯能斯特系數(shù)的可調(diào)性，優(yōu)于鉍。所有從文獻(xiàn)中獲取的值均在 1 T 下顯示，以便進(jìn)行有意義的比較，因?yàn)檫@些材料中的大多數(shù)在不同范圍的磁場下都具有較高的能斯特值。
相關(guān)科研成果由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Andras Kis等人于2024年發(fā)表在Nature Nanotechnology（https://doi.org/10.1038/s41565-024-01717-y）上。原文： Electrically tunable giant Nernst effect in two-dimensional van der Waals heterostructures
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01717-y
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
