We performed infrared transmission experiment on ion-gel gated graphene and measured carrier scattering rate γ as a function of carrier density n over a wide range up to n = 2 × 1013 cm−2. γ exhibits a rapid decrease along with the gating followed by a persistent increase upon further carrier doping. This behavior of γ(n) demonstrates that the carrier is scattered dominantly by the two scattering mechanisms, namely, charged impurity (CI) scattering and short-range disorder (SR) scattering, with additional minor scattering from substrate phonons (SPP). We can determine the absolute strengths of all the scattering channels by fitting the γ(n) data and unveil the complete n-dependent map of the scattering mechanisms γ(n)=γCI(n)+γSR(n)+γSPP(n). γCI(n) and γSR(n) are larger than those of SiO2-gated graphene by 1.8 times, which elucidates the dual role of the ion-gel layer as a CI-scatterer and simultaneously a SR-scatterer to graphene. Additionally, we show that freezing of IG at low-T (∼200 K) does not cause any change to the carrier scattering.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
2.
Z.
Li
,
E. A.
Henriksen
,
Z.
Jiang
,
Z.
Hao
,
M. C.
Martin
,
P.
Kim
,
H.
Stormer
, and
D. N.
Basov
,
Nat. Phys.
4
,
532
(
2008
).
3.
C.
Lee
,
X.
Wei
,
J. W.
Kysar
, and
J.
Hone
,
Science
321
,
385
(
2008
).
4.
A. C.
Neto
,
F.
Guinea
,
N. M.
Peres
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
109
(
2009
).
5.
L.
Ju
,
B.
Geng
,
J.
Horng
,
C.
Girit
,
M.
Martin
,
Z.
Hao
,
H. A.
Bechtel
,
X.
Liang
,
A.
Zettl
,
Y. R.
Shen
 et al,
Nat. Nanotechnol.
6
,
630
(
2011
).
6.
H.
Yan
,
X.
Li
,
B.
Chandra
,
G.
Tulevski
,
Y.
Wu
,
M.
Freitag
,
W.
Zhu
,
P.
Avouris
, and
F.
Xia
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
330
(
2012
).
7.
Y.
Zhang
,
Y.-W.
Tan
,
H. L.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Nature
438
,
201
(
2005
).
8.
K. I.
Bolotin
,
K.
Sikes
,
Z.
Jiang
,
M.
Klima
,
G.
Fudenberg
,
J.
Hone
,
P.
Kim
, and
H.
Stormer
,
Solid State Commun.
146
,
351
(
2008
).
9.
A.
Pirkle
,
J.
Chan
,
A.
Venugopal
,
D.
Hinojos
,
C.
Magnuson
,
S.
McDonnell
,
L.
Colombo
,
E.
Vogel
,
R.
Ruoff
, and
R.
Wallace
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
122108
(
2011
).
10.
I.
Vlassiouk
,
S.
Smirnov
,
I.
Ivanov
,
P. F.
Fulvio
,
S.
Dai
,
H.
Meyer
,
M.
Chi
,
D.
Hensley
,
P.
Datskos
, and
N. V.
Lavrik
,
Nanotechnology
22
,
275716
(
2011
).
11.
Y.
Wang
,
Y.
Zheng
,
X.
Xu
,
E.
Dubuisson
,
Q.
Bao
,
J.
Lu
, and
K. P.
Loh
,
ACS Nano
5
,
9927
(
2011
).
12.
E.
Hwang
,
S.
Adam
, and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
186806
(
2007
).
13.
E.
Hwang
and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. B
77
,
115449
(
2008
).
14.
S. D.
Sarma
,
S.
Adam
,
E.
Hwang
, and
E.
Rossi
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
407
(
2011
).
15.
E.
Hwang
and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. B
87
,
115432
(
2013
).
16.
J.
Lee
,
M. J.
Panzer
,
Y.
He
,
T. P.
Lodge
, and
C. D.
Frisbie
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
4532
(
2007
).
17.
H.
Shimotani
,
H.
Asanuma
,
A.
Tsukazaki
,
A.
Ohtomo
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Iwasa
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
082106
(
2007
).
18.
J.
Jeong
,
N.
Aetukuri
,
T.
Graf
,
T. D.
Schladt
,
M. G.
Samant
, and
S. S.
Parkin
,
Science
339
,
1402
(
2013
).
19.
P.
Moetakef
,
J. R.
Williams
,
D. G.
Ouellette
,
A. P.
Kajdos
,
D.
Goldhaber-Gordon
,
S. J.
Allen
, and
S.
Stemmer
,
Phys. Rev. X
2
,
021014
(
2012
).
20.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
,
Y.
Song
,
J.
Zhang
,
N. Z.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Yi
,
Y. Z.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Zhu
 et al,
Nature
563
,
94
(
2018
).
21.
J.
Ye
,
S.
Inoue
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Kasahara
,
H.
Yuan
,
H.
Shimotani
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Mater.
9
,
125
(
2010
).
22.
K.
Taniguchi
,
A.
Matsumoto
,
H.
Shimotani
, and
H.
Takagi
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
042603
(
2012
).
23.
D.
Costanzo
,
S.
Jo
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
339
(
2016
).
24.
K. S.
Kim
,
Y.
Zhao
,
H.
Jang
,
S. Y.
Lee
,
J. M.
Kim
,
K. S.
Kim
,
J.-H.
Ahn
,
P.
Kim
,
J.-Y.
Choi
, and
B. H.
Hong
,
Nature
457
,
706
(
2009
).
25.
X.
Li
,
Y.
Zhu
,
W.
Cai
,
M.
Borysiak
,
B.
Han
,
D.
Chen
,
R. D.
Piner
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Nano Lett.
9
,
4359
(
2009
).
26.
S.
Bae
,
H.
Kim
,
Y.
Lee
,
X.
Xu
,
J.-S.
Park
,
Y.
Zheng
,
J.
Balakrishnan
,
T.
Lei
,
H. R.
Kim
,
Y. I.
Song
 et al,
Nat. Nanotechnol.
5
,
574
(
2010
).
27.
Y.
Lee
,
S.
Bae
,
H.
Jang
,
S.
Jang
,
S.-E.
Zhu
,
S. H.
Sim
,
Y. I.
Song
,
B. H.
Hong
, and
J.-H.
Ahn
,
Nano Lett.
10
,
490
(
2010
).
28.
C.
Lee
,
J.
Kim
,
S.
Kim
,
Y. J.
Chang
,
K. S.
Kim
,
B.
Hong
, and
E. J.
Choi
,
Sci. Rep.
6
,
21311
(
2016
).
29.
K.
Yu
,
J.
Kim
,
J. Y.
Kim
,
W.
Lee
,
J. Y.
Hwang
,
E.
Hwang
, and
E. J.
Choi
,
Phys. Rev. B
94
,
235404
(
2016
).
30.
B. J.
Kim
,
H.
Jang
,
S.-K.
Lee
,
B. H.
Hong
,
J.-H.
Ahn
, and
J. H.
Cho
,
Nano Lett.
10
,
3464
(
2010
).
31.
A.
Kuzmenko
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
083108
(
2005
).
32.
T.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
75
,
074716
(
2006
).
33.
K.
Nomura
and
A.
MacDonald
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
076602
(
2007
).
34.
J.
Ye
,
M. F.
Craciun
,
M.
Koshino
,
S.
Russo
,
S.
Inoue
,
H.
Yuan
,
H.
Shimotani
,
A. F.
Morpurgo
, and
Y.
Iwasa
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
13002
(
2011
).
35.
D. K.
Efetov
and
P.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
256805
(
2010
).
36.
T.
Ebbesen
and
T.
Takada
,
Carbon
33
,
973
(
1995
).
You do not currently have access to this content.