Single layer and bilayer graphene quantum dot devices

Volk, Christian; Stampfer, Christoph; Schäpers, Thomas

doi:34363

Single layer and bilayer graphene quantum dot devices = Quantenpunkte in ein- und zweilagigem Graphen = Single-layer and bilayer graphene quantum dot devices

Volk, Christian

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Volk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

UmfangVIII, 191 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stampfer, Christoph (Thesis advisor) ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-050871
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/534468/files/534468.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/534468/files/534468.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; graphene (frei) ; bilayer graphene (frei) ; quantum dot (frei) ; charge relaxation (frei) ; charge detector (frei) ; quantum transport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Graphen-Quantenbauelemente wie Einzelelektronentransistoren und Quantenpunkte sind seit sechs Jahren ein lebendiges Forschungsgebiet von steigendem Interesse. Graphen-Quantenpunkte werden als ein interessantes System zur Implementierung von Spin-Quantenbits angesehen. Im Vergleich zu den verbreiteten auf GaAs basierenden Bauelementen besteht der Vorteil in einer kleineren Hyperfein- und Spin-Bahn-Wechselwirkung, was vorteilhafte Spin-Kohärenzzeiten verspricht. Während die Präparation, Manipulation und das Auslesen einzelner Spins in GaAs Quantenpunkten bereits gezeigt wurden, steht die Forschung an Graphen-Quantenpunktennoch am Anfang. Effekte wie Coulomb-Blockade, Elektron-Loch-Übergang und Spin-Zustände wurden bereits untersucht. Diese Arbeit zeigt Tieftemperatur-Transportexperimente an ein- und zweilagigen Graphen-Quantenpunkten mit dem Fokus auf der Analyse von Anregungsspektren und der Untersuchung der Relaxationsdynamik von angeregten Zuständen. Ladungssensoren basierend auf Graphen-Streifen werden charakterisiert und als wichtiges Instrument eingesetzt um Ladungsübergänge in einem benachbarten Quantenpunkt nachzuweisen.Alle Proben sind basierend auf dem Konzept der breiten-modulierten Nanostrukturen hergestellt. Wird Graphen in Streifen mit einer Breite auf Nanometerskala geschnitten öffnet sich effektiv eine Bandlücke. Das bietet eine Möglichkeit die Einschränkungen zu umgehen, die darauf beruhen, dass ausgedehntes Graphen keine Bandlücke besitzt. Es werden kleine Inseln (typische Durchmesser zwischen 50 und 120 nm) hergestellt, die mit den Kontakten über schmale Streifen (Breite zwischen 30 und 50 nm) verbunden sind. Dadurch entstehen Quantenpunkte verbunden mit gate-steuerbaren Tunnelbarrieren.Ladungsdetektoren basierend auf Graphen-Nanostreifen gekoppelt an Quantenpunkte werden charakterisiert. Sie erlauben Ladungsvorgänge des Quantenpunkts aufzulösen, selbst wenn der direkte Strom durch den Quantenpunkt unterhalb des Rauschniveaus liegt. Weiterhin können angeregte Zustände des Quantenpunkts mitdieser Technik nachgewiesen werden. Der Detektor funktioniert auch noch unter ungünstigen Bedingungen, wie dem Einfluss eines mehrere Tesla starken Magnetfels oder wenn Hochfrequenz-Pulse im MHz-Bereich an den Quantenpunkt angelegt werden. Diese Ergebnisse sind besonders für Experimente an Spin-Zuständen oderzur Untersuchung von Relaxationsprozessen interessant. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss des Detektors auf die Transporteigenschaften des Quantenpunkts.Die Relaxationsdynamik von angeregten Zuständen in Graphen-Quantenpunkten wird untersucht. Bias-Spektroskopie-Messungen lösen das Spektrum der angeregten Zustände auf. Lange und schmale Zuleitungen zum Quantenpunkt ermöglichen, die Tunnelrate bis zu wenigen MHz zu reduzieren. In einem solchen Bereich werden Sequenzen aus Rechteckpulsen an ein Gate angelegt um damit die Relaxation von angeregten Zuständen zum Grundzustand zu untersuchen. Messungen des über mehrere Pulszyklen gemittelten Stroms erlauben eine untere Abschätzung der Ladungsrelaxationszeit in der Größenordnung von 60 bis 100 ns, was etwa 5 bis 10 mal größer ist als was für III/V-Quantenpunkte berichtet wurde. Die experimentellen Ergebnisse werden mit einem vereinfachten Modell verglichen, das Elektron-Kopplung als den wesentlichen Relaxationsmechanismus annimmt. Ein Doppel-Quantenpunkt aus zweilagigem Graphen wird charakterisiert. Die kapazitive Kopplung zwischen beiden Quantenpunkten kann systematisch durch Gates gesteuert werden. Das elektronische Anregungsspektrum weist Einteilchen-Energieabstände auf, die (im Gegensatz zu einlagigem Graphen) unabhängig von der Anzahl der Ladungsträger auf dem Quantenpunkt sind. Ein paralleles Magnetfeldführt zu einem Aufspalten der Energieniveaus in der Größenordnung der Zeeman-Aufspaltung.

Graphene quantum devices, such as single electron transistors and quantum dots, have been a vital field of research receiving increasing attention over the past six years. Quantum dots (QDs) made from graphene have been suggested to be an interesting system for implementing spin qubits. Compared to the well-established GaAs-based devices their advantages are the smaller hyperfine interaction and spin-orbit coupling promising more favorable spin coherence times. However, while the preparation, manipulation, and read-out of single spins have been demonstrated in GaAs QDs, research on graphene QDs is still at an early stage. So far, effects like Coulomb blockade, electron-hole crossover and spin-states have been studied in graphene QDs.This thesis reports low temperature transport experiments on single-layer and bilayer graphene quantum dot devices focusing on the analysis of excited state spectra and the investigation of the relaxation dynamics of excited states. Graphene nanoribbon based charge sensors are characterized as an important tool to detectindividual charging events in close-by QDs. All devices are fabricated following the concept of width-modulated graphene nanostructures. Carving nanoribbons out of graphene sheets opens an effective band gap and offers the chance to circumvent the limitations originating from the gapless band structure in "bulk" graphene. Shaping graphene into small islands(with typical diameters between 50 and 120 nm) connected to contacts via narrow ribbons (typical widths between 30 and 50 nm) allows the confinement of electrons and the formation of QDs with gate-tunable tunneling barriers.Graphene nanoribbon-based charge detectors coupled to QDs are characterized.They allow the resolution of charging events on the QD even in regimes where the direct current is below the noise floor and excited states of the QD can be resolved by this technique as well. The detector remains operating even in adverse conditions like under the influence of magnetic fields of several Teslas or while RF pulses in the MHz regime are applied to the QD. These findings are in particular relevant for experiments addressing spin states or relaxation processes in graphene QDs. Special emphasis lies on the influence of the detector on the transport properties of the probed QD. The effects of back action and counterflow are measured and discussed.The relaxation dynamics of excited states of graphene QDs is investigated. Finite-bias spectroscopy measurements unveil the excited state spectrum of the device. Long and narrow constrictions are used as tunneling barriers which allow driving the overall tunneling rate to a few MHz. In such a regime rectangular RFpulse schemes are applied to an in-plane gate to probe the relaxation dynamics of excited state to ground state transitions. Measurements of the current averaged over a large number of pulse cycles yield an estimate of a lower bound for charge relaxation times on the order of 60 to 100 ns which is roughly a factor of 5 to 10 larger than what has been reported in III/V quantum dots. The experimental results are compared to a basic model regarding electron-phonon coupling as the dominant relaxation mechanism.A bilayer graphene double quantum dot device is characterized. The capacitive interdot coupling can be tuned systematically by a local gate. The electronic excited state spectrum features a single-particle level spacing independent on the number of charge carriers on the QDs which is in contrast to single-layer graphene.In in-plane magnetic fields a level splitting of the order of Zeeman splittings is observed.

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