Nano Letters: 缩放基于石墨烯的长扩散约瑟夫森结中的临界电流

摘要：目前，我们通过基于石墨烯的长扩散约瑟夫森结传导测量值。很多结点由化学气相沉积石墨烯单畴晶体组成，接触宽度为0~9nm，但长度变化从400到1000 nm不等。载流子密度通过栅极电压调整，这些结点处的临界电流范围从毫微安到多5μA多，而Thouless能量，E_Th，几乎涵盖了2个数量级。在此范围内，临界电流和正常电值的乘积阻I_CR_N同预期理论相同，即I_CR_N同E_Th线性增长。然而，I_CR_N同E_Th的比值在0.1−0.2间，这远小于预测的10（对于长扩散的SNS结）。

电流可以无损耗流动从常规材料（非超导材料）到超导材料。将石墨烯作为一个正常区域，可创建门既有高电子迁移率又有大的费米速度的可调谐超导器件。因此，清洁设备的超电流可以以微米尺度在弹道传播。然而，允许电流通过扩散石墨烯运输的机制尚不完全清楚。即使在相对一般的样品中，超电流可以穿透超过一微米的通道，但是，临界电流通道长度的依赖性尚未被探索.

来自美国杜克大学的Chung Ting Ke、Gleb Finkelstein等研究人员对（由相同石墨烯组成的）不同长度的约瑟夫森结里I_CR_N和E_Th的关系进行了探索。发现在广泛的临界电流（覆盖超过2个数量级）和密度远离狄拉克点的地方，I_CR_N确实与E_Th成正比。然而，比例系数与预期值10相比被显著抑制。

图文解读：

图1 约瑟夫森结显微图像及电流与栅极电压的关系：（a）基于石墨烯的约瑟夫森结装置的光学显微镜图像。在化学气相沉积石墨烯中定义一个9*20μm的活动区域，其中未使用的材料被蚀刻掉。相同宽度但不同长度（400，600，1000，1500，和2000纳米）的约瑟夫森结，是由沉积超导金属接触石墨烯制成。为了形成电阻以便于从电路的其余部分隔离结点，位于远离电极的部分活性区被氧等离子体氧化。只有前三个结点用于这项工作。（b）差动式电阻dv /dl在400纳米交界处测量应用电流和栅极电压。从40到-40 V全背栅通过不同范围电流被分为三个独立映射。超导区域在0电流周围（消失电阻暗区）被观察。电流从负到正偏置扫过。I_R，从正常到超导状态（负电流观察）可与I_S相媲美且规模较小，I_S，从超导到正常状态（正电流观察）。（C）在狄拉克点附件放大阻抗映射。

图2  R_N、I_C、E_Th、I_CR_N与V_G-V_D的关系：（a）正常电阻（b）临界电流（C）计算Thouless能量（d）I_C R_N产品，从狄拉克点、V_G-V_D、三处不同长度结点测量栅极电压。在C图里，E_Th曲线在DP发散，因为平均密度变为零，而电阻仍为有限值。因此我们忽略了从V_G 到DP的7V之间的数据。在这个制度之外，E_Th比KBT的五倍还要大，（在文献9中）它允许我们用0℃限制。很明显，c图上三曲线的形状和相对值类似于d组，除了DP附近。

图3  I_C值与E_Th /eR_N值的关系曲线：通过I_C值与E_Th /eR_N值标绘三个结点的曲线。显然，I_C与E_Th /eR_N对于三个结点有相同的线性关系且系数相同。然而，在本文讨论中，相对于文献9的理论结果，比例系数被一个因素50-100抑制。蓝线表示预期尺度eI_CR_N≈10E_Th，而紫色对应eI_CR_N = 0.14E_Th。

该成果近期发表在Nano  Letters上，论文链接：Topological Defects at the Graphene/h-BN interface Abnormally Enhance Its Thermal Conductance（Nano  Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00738）

该文献解读由材料人编辑部于晗投稿，材料牛编辑整理。

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