Elektronischer Transport in Graphen

Lohmann, Timm; Güntherodt, Gernot

doi:30305

Elektronischer Transport in Graphen = Electronic transport in graphene

Lohmann, Timm (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Timm Lohmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangVII, 175 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-06-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33662
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63290/files/3366.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Graphen (Genormte SW) ; Feldeffekt (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Mesoskopischer Transport (frei) ; unkonventioneller Quantenhalleffekt (frei) ; Klein-Tunneln (frei) ; molekulare Adsorbate (frei) ; pn-Übergänge (frei) ; graphene (frei) ; mesoscopic transport (frei) ; quantum Hall effect (frei) ; Klein-tunneling (frei) ; pn-junctions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Graphen ist ein monoatomarer Kohlenstofffilm mit einer Schichtdicke von 3,35 Å. Es wurde 2004 an der Universität Manchester in der Gruppe von A. Geim als erster echter zweidimensionaler Festkörper isoliert. Seine Eigenschaften werden bereits seit den 1950er Jahren theoretisch intensiv untersucht. Bis zum Zeitpunkt der Entdeckung galten zweidimensionale Kristalle bei endlicher Temperatur, T > 0 K, als instabil (Mermin-Wagner-Theorem). Die Zweidimensionalität und die hexagonale Kristallsymmetrie führen zu interessanten neuartigen Eigenschaften und Effekten. So besitzt Graphen bei experimentell zugänglichen Energien eine lineare Bandstruktur. Daher unterliegt die Bewegung seiner Ladungsträger der Dirac-Gleichung. Die Ladungsträger werden auch als Dirac-Fermionen bezeichnet. Neben exotischen Effekten wie dem "Klein-Tunneln" kann in Graphen ein unkonventioneller Quantenhalleffekt (QHE) gemessen werden. Die Hallleitfähigkeit ist dabei in Einheiten von 2e^2/h, 6e^2/h, 10e^2/h, 14e^2/h… quantisiert. Als Ausgangspunkt für detaillierte Transportuntersuchungen wird in dieser Arbeit zunächst der Herstellungsprozess für Graphenfeldeffekttransistoren (GFETs), basierend auf den Arbeiten von Novoselov et al., weiterentwickelt und optimiert. Dadurch stehen Proben mit Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 16000 cm^2/Vs und einer definierten Hallbar-Geometrie zur Verfügung. An diesen Proben werden externe Einflussgrößen auf die elektronischen Eigenschaften ohne Magnetfelder untersucht. Unter den Einflussgrößen nehmen molekulare Adsorbate eine besondere Stellung ein, da sie für viele intrinsische Effekte frisch präparierter Graphenproben verantwortlich sind. Dazu zählen bspw. die stets vorhandene p-Dotierung, eine Asymmetrie von Elektronen- und Lochbeweglichkeit, die "minimal conductivity", sowie eine Hysterese in der Feldeffektcharakteristik bei Raumtemperatur. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Yacoby (Harvard) konnten Ladungsfluktuationen („electron-hole puddles“) in der Nähe des Dirac-Punktes als mögliche Ursache für die endliche Leitfähigkeit ("minimal conductivity") von Graphen im Falle verschwindender Ladungsträgerdichte mittels Scanning-SET-Messungen (SSET) nachgewiesen werden. Neben den schwach gebundenen Adsorbaten, welche als coulomb-artige, langreichweitige Störstellen im Transport durch Dotierung, Asymmetrien, Hysteresen etc. sichtbar sind, aber Dirac-Fermionen nicht lokalisieren können, werden auch stark gebundene kurzreichweitige Störstellen bzw. lokalisierte Zustände untersucht. Diese lassen sich durch Elektronenbestrahlung des Graphens erzeugen und anhand von "weak localization", "universal conductance fluctuations" und einem Metall-Isolator Übergang charakterisieren. Aus den Untersuchungen zu molekularen Adsorbaten konnte ein Verfahren abgeleitet werden, um Graphen pn-Übergänge durch chemisches Dotieren zu erzeugen. Diese pn-Übergänge werden bei tiefen Temperaturen und Magnetfeldern von bis zu 12 T im QHE-Regime untersucht. Aufgrund von Randkanalwechselwirkungen am pn-Übergang, treten Hall-widerstände von h/e^2, h/3e^2, h/15e^2… auf, welche in reinem Graphen nicht existieren. Im letzten Teil der Arbeit werden die Experimente auf ballistische pn-Arrays ausgeweitet, an welchen sich u.a. das Tunnelverhalten von Ladungsträgern in Graphen ("Klein-Tunneln") studieren lässt. Dabei kann eine für masselose Dirac-Fermionen charakteristische Dichteabhängigkeit (sqrt[4]{n}) bei der Leitfähigkeit des pn-Arrays nachgewiesen werden.

In 2004 graphene, a monolayer of carbon atoms, has been isolated as the first real two-dimensional solid by the group of A. Geim at the University of Manchester. Graphene’s properties have been theoretically investigated since the 1950s. Until the successful preparation by Geim et al., graphene was suspected to be unstable under ambient conditions above 0 K (Mermin-Wagner theorem). Its two dimensionality and hexagonal lattice symmetry cause interesting novel properties and effects. At experimentally relevant energies, graphene has a linear band structure and charge carrier dynamics must be treated using Dirac’s equation. Therefore charge carriers in graphene are called “Dirac fermions”. Beside exotic effects like “Klein tunneling” an unconventional quantum Hall effect (QHE) can be observed with a Hall conductance quantized in units of 2e^2/h, 6e^2/h, 10e^2/h, 14e^2/h… . As a starting point for in-depth transport measurements the processing of graphene field effect transistors (GFETs) has been developed and optimized, based on the pioneering work by Novoselov et al.. The optimized process provides samples with carrier mobilities up to 16000 cm^2/Vs and a well defined Hall geometry. These samples are used to investigate external influences on the electronic properties of graphene. Among those influences molecular adsorbates are responsible for various effects of freshly prepared graphene samples e.g. an intrinsic p-doping, a mobility asymmetry of electrons and holes, the so called “minimal conductivity” and a field effect hysteresis at room temperature. In collaboration with the group of A. Yacoby (Harvard) density fluctuations in the vicinity of the Dirac point (“electron-hole puddles”) could be observed using a scanning single electron transistor (SSET). These fluctuations might be one reason for the “minimal conductivity” at vanishing average density. While molecular adsorbates are treated as long range Coulomb defects there are short range scatterers that localize Dirac fermions. They are created using electron beam irradiation and can be characterized by “weak localization”, “universal conductance fluctuations” and a metal-insulator transition. From the experiments regarding molecular adsorbates a process could be developed that allows the creation of graphene pn-junctions by chemical doping. These pn-junctions are investigated at high magnetic fields up to 12 T and low temperatures (QHE regime). Due to edge channel interaction at the p-n interface Hall resistances h/e^2, h/3e^2, h/15e^2 can be observed, which do not exist in pure graphene. In the final section the pn-junctions are further developed into ballistic pn-arrays which allow the analysis of tunnelling of charge carriers in graphene (“Klein tunneling”). For ballistic pn-arrays one observes a sqrt[4]-density dependence of the conductivity being characteristic for Dirac fermions.

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