能斯特效應是一種橫向熱電現象，因其在能量轉換、熱電學和自旋電子學中的潛力而備受關注。然而，在低溫下實現高性能和多功能性仍然難以實現。在這里，我們通過在場效應幾何中將石墨烯的電特性與硒化銦的半導體特性相結合，展示了一種大型且電可調的能斯特效應。我們的研究結果為探索和操縱這種熱電效應建立了一個新平臺，展示了第一個開/關比為 103 的電可調性。此外，光電壓測量顯示，與單個組件相比，石墨烯/硒化銦異質結構中的光能斯特信號更強。值得注意的是，我們在超低溫和低磁場下觀察到創紀錄的 66.4 μV K-1 T-1 能斯特系數，這是邁向量子信息和低溫突發現象應用的重要一步。
圖 1. a、設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都與金觸點接觸，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 偏壓的低溫下進行。c、帶有石墨烯電極的 3L InSe 器件的光學顯微照片。在石墨烯上測量的 1 T 光能斯特效應的示例測量結果與感興趣的區域重疊。d、當照明僅在石墨烯（深黃色）和 Gr/InSe（深紅色）上時，能斯特效應的線性磁場依賴性。插圖顯示了 Nernst 效應對 Gr 的功率依賴性以及相反磁場的符號變化，證實了該效應的起源為光誘導 Nernst 效應 (PNE)。
圖 2. a、用激光功率對 3L InSe/Gr 異質結構 (深紅色) 進行測量，將能斯特效應強度歸一化為柵極電壓的函數。裸石墨烯的能斯特效應作為比較 (藍色) 示出，為清晰起見進行了偏移。b、以對數刻度繪制的異質結構的能斯特效應強度，以突出顯示相當大的開/關比。通過改變設備內的載流子密度可以打開或關閉該效應。灰色虛線表示 n 型傳導的開始，類似于 a。c、通過 Mott 關系計算出的塞貝克系數作為柵極電壓的函數，顯示為 300 K (黃色) 和 100 mK (紅色)。垂直灰色虛線表示設備的關閉狀態，其中塞貝克系數無法定義，因為設備的電阻很高，與儀器的輸入阻抗相當38。 d，Gr/InSe 異質結構中的柵極可調能斯特系數。該圖表示由于 β導致的真實值的下限。誤差線反映了溫度測定中存在的誤差。
圖3. a、設備示意圖，顯示 Gr/5L-InSe 異質結構的照明和 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聯起來。選擇用于記錄石墨烯和 Gr/InSe 異質結構上的能斯特效應信號的位置分別標記為位置 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 下記錄能斯特效應信號，分別照射在石墨烯電極和異質結構上。裸露的石墨烯信號以藍色顯示，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行的，因為它會掩蓋能斯特效應，從而在圖片中引起其他光電壓機制。 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，最近在參考文獻中分別報道的基于 InSe 的器件的場效應兩端電子遷移率和開/關比的基準測試。每個點都以 InSe 通道的厚度標記。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/關比和場效應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 的低溫能斯特系數值。特別是，鉍顯示為黃色方塊，因為據我們所知，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的可調性，優于鉍。所有從文獻中獲取的值均在 1 T 下顯示，以便進行有意義的比較，因為這些材料中的大多數在不同范圍的磁場下都具有較高的能斯特值。
相關科研成果由洛桑聯邦理工學院Andras Kis等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
