Thermopower in hBN/graphene/hBN superlattices
Creators
- 1. Escuela Superior Politecnica del Litoral
- 2. University of Manchester
- 3. Henry Royce Institute
- 4. Budapest University of Technology and Economics
- 5. Kansas State University
Description
Thermoelectric effects are highly sensitive to the asymmetry in the density of states around the Fermi energy and can be exploited as probes of the electronic structure. We experimentally study thermopower in high-quality monolayer graphene, within heterostructures consisting of complete hBN encapsulation and 1D edge contacts, where the graphene and hBN lattices are aligned. When graphene is aligned to one of the hBN layers, we demonstrate the presence of additional sign reversals in the thermopower as a function of carrier density, directly evidencing the presence of the single-aligned moir\'e superlattice. We show that the temperature dependence of the thermopower enables the assessment of the role of built-in strain variation and van Hove singularities and hints at the presence of Umklapp electron-electron scattering processes. As the thermopower peaks around the neutrality point, this allows to probe the energy spectrum degeneracy. Further, when graphene is double aligned with the top and bottom hBN crystals, the thermopower exhibits features evidencing multiple cloned Dirac points caused by the differential super-moir\'e superlattice. For both cases we evaluate how well the thermopower agrees with Mott's equation. Finally, we show the same moir\'e superlattice device can exhibit a temperature-driven thermopower reversal from positive to negative and vice versa, by controlling the carrier density. The study of thermopower provides an alternative approach to study the electronic structure of 2D superlattices, whilst offering opportunities to engineer the thermoelectric response on these heterostructures.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
التأثيرات الكهروحرارية حساسة للغاية لعدم التماثل في كثافة الحالات حول طاقة فيرمي ويمكن استغلالها كمجسات للهيكل الإلكتروني. ندرس تجريبيًا الطاقة الحرارية في الجرافين أحادي الطبقة عالي الجودة، داخل هياكل متغايرة تتكون من تغليف hBN كامل وملامسات حافة 1D، حيث يتم محاذاة شبكات الجرافين و hBN. عندما تتم محاذاة الجرافين إلى إحدى طبقات hBN، فإننا نظهر وجود انعكاسات إشارة إضافية في الطاقة الحرارية كدالة لكثافة الحامل، مما يدل بشكل مباشر على وجود التلامس الفائق أحادي المحاذاة. نظهر أن اعتماد الطاقة الحرارية على درجة الحرارة يمكّن من تقييم دور تباين الانفعال المدمج وتفردات فان هوف والتلميحات إلى وجود عمليات تشتت الإلكترون- الإلكترون Umklapp. عندما تصل الطاقة الحرارية إلى ذروتها حول نقطة الحياد، فإن هذا يسمح بالتحقيق في انحطاط طيف الطاقة. علاوة على ذلك، عندما يكون الجرافين متحاذيًا بشكل مزدوج مع بلورات hBN العلوية والسفلية، فإن الطاقة الحرارية تظهر ميزات تثبت نقاط ديراك المستنسخة المتعددة الناتجة عن الترقوة الفائقة التفاضلية. في كلتا الحالتين، نقوم بتقييم مدى توافق الطاقة الحرارية مع معادلة موت. أخيرًا، نظهر أن نفس جهاز الربط الفائق يمكن أن يُظهر انعكاسًا في الطاقة الحرارية مدفوعًا بدرجة الحرارة من الموجب إلى السالب والعكس صحيح، من خلال التحكم في كثافة الحامل. توفر دراسة الطاقة الحرارية نهجًا بديلًا لدراسة البنية الإلكترونية للشبكات الفائقة ثنائية الأبعاد، مع توفير فرص لهندسة الاستجابة الحرارية الكهربائية على هذه الهياكل المتغايرة.Translated Description (French)
Les effets thermoélectriques sont très sensibles à l'asymétrie de la densité des états autour de l'énergie de Fermi et peuvent être exploités comme des sondes de la structure électronique. Nous étudions expérimentalement la thermopuissance dans du graphène monocouche de haute qualité, au sein d'hétérostructures constituées d'une encapsulation complète de hBN et de contacts de bord 1D, où les réseaux de graphène et de hBN sont alignés. Lorsque le graphène est aligné sur l'une des couches de hBN, nous démontrons la présence d'inversions de signe supplémentaires dans la thermopuissance en fonction de la densité de porteurs, ce qui met directement en évidence la présence du super-réseau de moir\'e à alignement unique. Nous montrons que la dépendance en température de la thermopuissance permet d'évaluer le rôle de la variation de déformation intégrée et des singularités et allusions de van Hove à la présence de processus de diffusion électron-électron d'Umklapp. Comme la puissance thermique culmine autour du point de neutralité, cela permet de sonder la dégénérescence du spectre énergétique. En outre, lorsque le graphène est doublement aligné avec les cristaux hBN supérieurs et inférieurs, la thermopuissance présente des caractéristiques mettant en évidence de multiples points de Dirac clonés causés par le super-réseau différentiel super-moir\'e. Dans les deux cas, nous évaluons dans quelle mesure la thermopuissance est en accord avec l'équation de Mott. Enfin, nous montrons que le même dispositif de super-réseau moir\'e peut présenter une inversion de puissance thermique induite par la température de positif à négatif et vice versa, en contrôlant la densité de porteurs. L'étude de la thermopuissance fournit une approche alternative pour étudier la structure électronique des super-réseaux 2D, tout en offrant des opportunités d'ingénierie de la réponse thermoélectrique sur ces hétérostructures.Translated Description (Spanish)
Los efectos termoeléctricos son altamente sensibles a la asimetría en la densidad de estados alrededor de la energía de Fermi y pueden ser explotados como sondas de la estructura electrónica. Estudiamos experimentalmente la termopotencia en grafeno monocapa de alta calidad, dentro de heteroestructuras compuestas por encapsulación completa de hBN y contactos de borde 1D, donde se alinean las redes de grafeno y hBN. Cuando el grafeno está alineado con una de las capas de hBN, demostramos la presencia de reversiones de signos adicionales en la termopotencia en función de la densidad del portador, lo que evidencia directamente la presencia de la superred de moir\'e de alineación simple. Mostramos que la dependencia de la temperatura de la termopotencia permite la evaluación del papel de la variación de la tensión incorporada y las singularidades de van Hove y sugiere la presencia de procesos de dispersión electrón-electrón de Umklapp. A medida que la termopotencia alcanza su punto máximo alrededor del punto de neutralidad, esto permite sondear la degeneración del espectro de energía. Además, cuando el grafeno está doblemente alineado con los cristales de hBN superior e inferior, la termopotencia exhibe características que evidencian múltiples puntos de Dirac clonados causados por la superred diferencial de supermoir. Para ambos casos evaluamos qué tan bien la termopotencia concuerda con la ecuación de Mott. Finalmente, mostramos que el mismo dispositivo de superretícula de Moir puede exhibir una inversión de potencia térmica impulsada por la temperatura de positiva a negativa y viceversa, controlando la densidad del portador. El estudio de la termopotencia proporciona un enfoque alternativo para estudiar la estructura electrónica de las superredes 2D, al tiempo que ofrece oportunidades para diseñar la respuesta termoeléctrica en estas heteroestructuras.Files
PhysRevB.108.115418.pdf
Files
(700.6 kB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:28ca7ad843d922971eb4d323a294dd04
|
700.6 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الطاقة الحرارية في الشبكات الفائقة hBN/الجرافين/hBN
- Translated title (French)
- Thermopower en super-réseaux hBN/graphène/hBN
- Translated title (Spanish)
- Termopotencia en superredes de hBN/grafeno/hBN
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386699428
- DOI
- 10.1103/physrevb.108.115418
References
- https://openalex.org/W1774142073
- https://openalex.org/W1988262302
- https://openalex.org/W1999725721
- https://openalex.org/W2014436787
- https://openalex.org/W2016567283
- https://openalex.org/W2021736461
- https://openalex.org/W2026167865
- https://openalex.org/W2031654810
- https://openalex.org/W2036542083
- https://openalex.org/W2037956657
- https://openalex.org/W2049632862
- https://openalex.org/W2050595680
- https://openalex.org/W2051648236
- https://openalex.org/W2055231275
- https://openalex.org/W2062663806
- https://openalex.org/W2073125669
- https://openalex.org/W2076803624
- https://openalex.org/W2077544301
- https://openalex.org/W2080710240
- https://openalex.org/W2083191451
- https://openalex.org/W2087863452
- https://openalex.org/W2157720508
- https://openalex.org/W2170068899
- https://openalex.org/W2170539287
- https://openalex.org/W2170849789
- https://openalex.org/W2266350121
- https://openalex.org/W2298403338
- https://openalex.org/W2462502224
- https://openalex.org/W2757598758
- https://openalex.org/W2886638834
- https://openalex.org/W2905920441
- https://openalex.org/W2969772334
- https://openalex.org/W2977471547
- https://openalex.org/W2989991443
- https://openalex.org/W3099181240
- https://openalex.org/W3099394565
- https://openalex.org/W3102767770
- https://openalex.org/W3103012209
- https://openalex.org/W3105369760
- https://openalex.org/W3198137831
- https://openalex.org/W4200037934
- https://openalex.org/W4210798785
- https://openalex.org/W4221130872