Ballistic transport in graphene nanostructures

Terrés, Bernat; Stampfer, Christoph; Morgenstern, Markus

doi:10.18154/RWTH-2017-07180

Ballistic transport in graphene nanostructures

Terrés, Bernat

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Bernat Terrés

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (iv, ii, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stampfer, Christoph (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-08-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07180
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697626/files/697626.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697626/files/697626.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Zielsetzung ist es, einen Beitrag zum Fortschritt und dem Verständnis des unklaren Ursprungs von Unordnung in nanostrukturierten Graphen Proben zu leisten. Der erste Teil der Arbeit beginnt mit der Untersuchung von Transporteigenschaften durch Unordnung dominierten Graphen Nanoribbons mit zwei Kontakten und verschiedenen Aspektverhältnissen, um den Einfluss der vom Siliziumdioxid $SiO_2$ Substrat induzierten Potentialfluktuationen zu charakterisieren. Die Messdaten zeigen, dass die Proben durch diffusiven Ladungsträgertransport charakterisiert sind und bei niedrigen Energien statistische Coulomb-Blockade aufweisen. Trotz des diffusiven Charakters, zeigen die kurzen Graphen Nanoribbons seine Leitfähigkeit von ungefähr $\sim\!0.1\,e^2/h$, und sind daher ein vielversprechender Kandidat um Fano-Resonanzen zu studieren. Um den Einfluss der Potentialvariationen in den Graphen Nanostrukturen zu reduzieren werden zunächst Ursachen und Auswirkungen von die Potentialfluktuationen die sowohl von Randeffekten als auch vom inneren der Probe herrühren identifiziert. Die Präsenz von angeregten Zuständen in den Bias-Spektroskopiemessungen und die Analyse ihrer Energien zeigt, dass Elektron-Phonon Wechselwirkung eine wichtige Rolle für das Energiespektrum von quasi nulldimensionalen Graphenstrukturen auf Siliziumdioxid spielen könnten. Erste Anzeichen von Randeffekten werden im nächsten Kapitel behandelt, wo die Kristallstruktur der Ränder der Nanoribbons mit Raman-Spektroskopie untersucht wird. Die Ergebnisse von "Lithographie-frei" hergestellten Graphen Nanoribbons, die durch einen neu entwickelten Fabrikationsprozess bei der Exfolierung hergestellt wurden, zeigen eine hohe Korrelationslänge $\xi$ im Vergleich mit durch Plasmaprozesse geätzte Nanoribbons. Die Ergebnisse bestätigen ein höheres Mass an Unordnung in den Rändern der durch Plasmaätzen hergestellten Graphen Strukturen. Im nächsten Kapitel wird eine elektrostatische Methode entwickelt um die Effekte von ungeordnete Rändern zu reduzieren. Wir bauen kurze und schmale Graphen Nanoribbons mit seitlich angeordneten Graphen Elektroden. Eine Reduktion der in den Transportdaten sichtbaren Unordnung wird insbesondere durch Bias Spektroskopie Messungen gezeigt. Weiterhin zeige ich die Entstehung von quasi-eindimensionalen Kanälen bei symmetrisch angelegten Potentialen an den seitlich angeordneten Elektroden. Der eindimensionale Charakter des Landungstransportes wird durch Fano-Interferenzen zwischen dem 1D-Kanal mit Punktartigen Ladungswolken an den Kontaktbereichen gezeigt. Diese Ergebnisse stellen die erstmalige Beobachtung von Fano-Interferenzen in Graphen dar. Um die Unordnung in den Proben weiter zu reduzieren wird eine trockene Transfermethode genutz um Graphen geschützt von zwei Lagen hexagonalem Bornitrid herzustellen. Die Ladungsträgermobilitäten erreichen Werte von bis zu $200.000\,cm^2/(Vs)$ in diesen Proben und unterstreichen die hohe Probenqualität die bei dieser Herstellungsmethode erreicht wird. Die verbleibende Unordnung wird durch die Temperaturabhängigkeit von symmetriegebrochenen Quanten Hall Zuständen in einem Hallbarren untersucht. Eine Lokalisierungslänge von über $1 \,\mu m$ wurde im variable-range-hopping (VRH) Regime bestimmt. Dieser Wert ist mehr als eine Grössenordung grösser als für ähnliche Proben auf Siliziumdioxid. Im zweiten Teil der Dissertation zeige ich ballistischen Transport und quantisierte Leitfähigkeit von eingeengten Dirac-Fermionen in durch Lithographie hergestellten Quantenpunktkontakten (QPC). Nahe am Ladungsneutralitätspunkt zeigen Bias Spektroskopie Messungen eine Fermigeschwindigkeit von $v_F\! \approx \! 1.5 \times 10^6\,m/s$ in unseren Graphen QPCs. Bei niedrigen Ladungsträgerdichten kann die Zustandsdichte direkt durch transportmessungen untersucht werden, was einen direkten Zugang zu lokalisierten Randzuständen ermöglicht. Der direkte Vergleich zwischen den Daten der selben Probe, die mehrfach abgekühlt und vermessen wurde zeigt zweifelsfrei eine Brechung der vierfach entarteten Subbänder. Die Ergebnisse werden durch Bias Spektroskopie Messungen und Magnetfeldabhängige Messungen untermauert. Die bei verschiedenen Abkühlvorgängen angehäuften Kontaminationen an den Rändern werden als Ursache für die Symmetriebrechung angenommen. Dies wird mit Messungen zum Quanten Hall Effekt weiter untersucht, indem ein veränderliches Dotierprofil und eine Kapazitätsänderung am Rand analysiert wird.

This work aims to contribute to the progress and understanding of the sources of disorder in nano-structured graphene devices. The first part of the thesis starts with the introduction of disordered two-terminal graphene nanoribbons of different aspect ratio, in order to unveil and characterize the amount of potential fluctuations on silicon dioxide ($SiO_2$) substrates. The experimental results reveal the diffusive nature of the transport behavior and a Coulomb blockade dominated transport regime close to the charge neutrality point. Besides its disordered nature, results appoint very short graphene constrictions, with levels of conductance close to $\sim \!0.1\,e^2/h$, as prime candidates for exploring Fano resonances in graphene nano-structures. In an attempt to reduce the contributions of the potential fluctuations to transport, we initially identify the different sources of disorder, with bulk and edges arising as the major contributors in nano-structured devices. The strong influence from the bulk is characterized via the tunneling processes through magnetically confined quantum dots arising from the aforementioned bulk disorder. First evidences of an edge induced disorder are treated in the following section, where we investigate the crystal structure of the nanoribbon's edges by means of Raman spectroscopy experiments. Results on lithography-free graphene nanoribbons, shaped by the exfoliation process itself, are compared to traditional plasma etched graphene ribbons. In these pristine ribbons, the correlation length $\xi$, figure of merit to characterize the edges, is one order of magnitude higher than on plasma etched structures. Results highlight the strong edge-induced disorder present in traditionally plasma-etched graphene devices. With the edge-induced disorder identified via Raman spectroscopy measurements, we implement in the next section an electrostatic approach to reduce its effects. Short and relatively narrow graphene constrictions are side-gated by graphene gate electrodes. We demonstrate the reduction in disorder by transport and bias spectroscopy measurements. Results are further supported by the formation of a quasi-1D channel upon application of a lateral electrostatic potential. The 1D-like nature of the electronic path is justified by its Fano-like interference with a 0D-like charged puddle located at the interface with the leads. Results represent the very first reported indications of Fano interference phenomena in graphene. To reduce bulk disorder, we implement a dry transfer technique for the fabrication of encapsulated graphene devices in between a top- and a bottom-layer of hexagonal boron nitride (hBN). Mobility values approaching $200\,000\,cm^2/(V\,s)$ confirm the high quality achieved with our fabrication technique. The residual disorder is characterized via the temperature dependence of the symmetry broken states in the quantum Hall regime, in a hBN/graphene/hBN Hall bar device. The values of localization length found in the variable-range-hopping (VRH) regime exceed $1\mu m$, one order of magnitude higher than the reported values for graphene on $SiO_2$ substrates. In the second part of the thesis, we demonstrate ballistic transport and quantized conductance of size-confined Dirac fermions in lithographically-defined graphene quantum point contacts (QPCs). Close to the charge neutrality point, bias voltage spectroscopy measurements reveal a renormalized Fermi velocity ($v_F\!\approx\!1.5\times10^6\,m/s$) in our graphene constrictions. Moreover, at low carrier densities, transport measurements allow probing the density of localized states at the edges, thus offering a unique handle on edge physics in graphene devices. Direct comparison between successive cool-downs of a same QPC device reveal the lifting of the four-fold degenerate subbands. Results are supported by bias voltage and magnetic field dependent measurements. The amount of dopands/contaminants collected by the edges during the successive cool-downs is appointed as the source of this degeneracy breaking process. Quantum Hall measurements are used to spatially resolve the change in capacitance profile, supporting this change in dopands/contaminants at the edges.

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