美國研究人員以實驗證實，石墨烯中的熱電子是經由超級碰撞(supercollision)過程進行冷卻。這項結果不僅驗證了由另一個美國研究團隊同樣於今年所提出的理論預測，而且對於未來製作石墨烯元件有相當重要的影響。
石墨烯具有許多獨特的電子與機械性質，像是超高導電率及絕佳拉伸強度，因此很可能成為下一代電子元件的材料新寵。此外，其透明特性亦使其非常適合光電產業的應用。熱電子為一種電子激發態的分佈，會透過發射聲子(phonon,晶格振動量子化的準粒子)將溫度降至接近周遭晶格，損失的能量直接傳遞給聲子，而此機制對於瞭解電子元件如何運作而言十分關鍵。
麻省理工學院(MIT)的Leonid Levitov與Justin Song稍早提出的理論模型認為，石墨烯的熱電子是經由超級碰撞過程來降溫，最近康奈爾(Cornell)大學的Matt Graham等人以實驗驗證其理論預測。在此過程中，電子會與晶體晶格內的缺陷發生碰撞，造成動量的轉移。因此，電子冷卻的速度將會比在完美無缺陷的石墨烯中快。
該團隊實驗的對象是自製的石墨烯p-n接面光探測器，他們對元件發射100 fs的極短雷射脈衝，並測量電子冷卻時的接面溫度。在這些實驗中，接面處產生的光電流可等效作為「溫度計」，用以測量石墨烯費米能(the Fermi level)附近的熱電子溫度。實驗的時間解析度可達次皮秒級，溫度準確度則在數度K內。
以往科學家認為石墨烯熱電子的冷卻是透過簡單的聲子發射，而由於能量-動量守恆之故，鬆弛過程長達數奈秒。康奈爾的實驗發現超級碰撞過程為其主要冷卻機制，熱電子鬆弛僅需數皮秒。Graham解釋，大多數發展中的石墨烯元件，譬如從光探測器到場效電晶體，皆仰賴正確的熱電子冷卻速率模型，而他們的實驗則驗證了Levitov團隊所提出的理論模型：石墨烯內的熱電子冷卻機制來自於超級碰撞，電子會與系統中的無序排列發生散射，實為一更高效率的鬆弛路徑。
該團隊目前計畫以此時間解析冷卻速率實驗測定其他新穎奈米系統的電子冷卻速率。詳見Nature Physics | doi:10.1038/nphys2493。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘