Aharonov-Bohm oscillations in ballistic graphene rings

Dauber, Jan; Stampfer, Christoph; Bluhm, Jörg

doi:HT020023180

Aharonov-Bohm oscillations in ballistic graphene rings = Aharonov-Bohm Oszillationen in ballistischen Graphenringen

Dauber, Jan^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Jan Nikolaus Dauber

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (v, 131 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stampfer, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Bluhm, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-02353
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/756288/files/756288.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aharonov-Bohm effect (frei) ; Aharonov-Bohm-Effekt (frei) ; Graphen (frei) ; Hall effect sensor (frei) ; Hall-Sensoren (frei) ; Klein tunneling (frei) ; Kleinsches Paradoxon (frei) ; Mesoskopische Physik (frei) ; Nanostrukturen (frei) ; Nanotechnologie (frei) ; Quantenkohärenz (frei) ; graphene (frei) ; mesoscopic physics (frei) ; nanostructures (frei) ; nanotechnology (frei) ; phase-coherent transport (frei) ; phasenkohärenter Transport (frei) ; quantum decoherence (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit untersucht die Transporteigenschaften von Graphen-Nanostrukturen mit Fokus auf verschiedene mesoskopische Effekte bei tiefen Temperaturen. Graphen eignet sich besonders zur Untersuchung von Quanteneffekten aufgrund seiner einzigartigen elektrischen Eigenschaften und seiner QED ähnlichen Energiedispersion. Mit Probenabmessungen in der Größenordnung von charakteristischen Längenskalen der Quantenphysik werden mesoskopische Systeme geschaffen, welche die Grundlage bilden für die Beobachtung von Phänomenen wie Größenquantisierung, Quanteninterferenz oder ballistischer Transport. Graphen-Nanobändern werden mittels mechanischer Exfoliation von Graphite auf SiO2, Lithographie und Trockenätzen hergestellt. Ihre Transporteigenschaften werden durch elektrische Messungen vor und nach einer kurzen Behandlung mit Flusssäure (HF) untersucht. Die Proben zeigen ein deutlich verringertes Störungspotential in den Transportmessungen nach der Wechselwirkung mit HF. Mit einem auf Van-der-Waals-Kräften basierend Transferprozess werden Heterostrukturen hergestellt, bei denen exfoliertes Graphen von zwei dünnen Schichten exfoliertem hexagonalem Bornitrid (hBN) umgeben ist. Messungen des Magnetotransportes an einer Ringstruktur aus diesem Material zeigen Aharonov-Bohm (AB) Oszillationen und das Auftreten von Fokusierungseffekten im Magnetfeld, welche auf quasi-ballistischen Transport hinweisen. Das nächste Experiment untersucht Magnetotransport in einer Ringstruktur mit einem partiellen Topgate, welche in einer hBN/Graphen/hBN Heterostruktur mit Graphen aus chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt wurde. In unipolaren Ladungsträgerkonfigurationen werden AB Oszillationen und ihre höhere Moden beobachtet und Quantendekohärenz mittels bias- und temperaturabhängigen Messungen untersucht. Für bipolare Einstellungen ergibt sich durch das Zusammenspiel von AB Oszillationen und Klein Tunneleffekt phasenkohärenter Transport in einem Elektron-Loch-System. Das letzte Experiment demonstriert die Herstellung und die Charakterisierung von Hall-Sensoren basierend auf hBN/Graphen/hBN Heterostrukturen, wobei Empfindlichkeiten von bis zu 5700 V/(AT) und 3 V/(VT) erzielt werden. Diese Ergebnisse übertreffen die Kennzahlen von Silizium als auch auf III/V Halbleiter basierten Hall-Sensoren und zeigen das große Potential von hBN/Graphen/hBN Heterostrukturen für kommerzielle Anwendungen.

This thesis focuses on the electrical transport characteristics of graphene nanostructures at low temperatures and investigates several effects related to mesoscopic physics. Graphene provides an ideal host material for quantum engineering with its outstanding electronic properties and QED-like physics as well as the feasibility of pattering of sub-micron devices. Mesoscopic systems are formed when sample dimensions are on the order of characteristic length scales of electron transport. They are the fundament for the observation of size quantization, quantum interference effects, ballistic transport and many more phenomena. Graphene nanoribbons on SiO2 are fabricated from mechanical exfoliation of graphite and structured by lithography and dry etching. The transport properties are studied by low temperature transport measurements before and after a short treatment with hydrofluoric acid (HF). The chemical interactions of HF with the SiO2 substrate and the edges of nanoribbons lead to the observation of a significantly reduced disorder potential in transport measurements. In the next experiment an Aharonov-Bohm (AB) ring is fabricated from exfoliated graphene, which is fully encapsulated in exfoliated hexagonal boron nitride (hBN). The device is assembled by a dry transfer process based on van der Waals forces providing an excellent sample quality. Magnetotransport measurements show AB conductance oscillations at low B fields and exhibit signatures of magnetic focusing effects in the intermediate field range demonstrating quasi-ballistic transport. A subsequent experiment studies phase-coherent transport in a ring with a partial top gate made from chemical vapor deposition (CVD) grown graphene and fully encapsulated in exfoliated hBN. For unipolar charge carrier configurations, AB oscillations and higher harmonics are observed and quantum decoherence is investigated by bias voltage and temperature dependent measurements indicating a quasi-ballistic mesoscopic system. In bipolar settings, the interplay of AB oscillations and Klein tunneling leads to phase-coherent transport in an electron-hole system. The final experiment demonstrates the fabrication and the characterization of Hall sensor elements based on hBN/graphene/hBN heterostructures. In Hall measurements these devices achieve current- and voltage-related sensitivities of up to 5700 V/(AT) and 3 V/(VT), respectively. These results outperform state of the art Si and III/V semiconductor Hall sensor devices and show the high potential of hBN/graphene/hBN heterostructures for commercial applications.

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