Transport Experiments on Suspended Graphene Devices

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Tässä työssä tutkittiin ripustettuja grafeeninäyttitä konduktanssi- ja kohinamittauksissa grafeenin perusominaisuuksien ymmärtämiseksi. Kokeet suoritettiin matalissa alimmillaan T = 10 mK lämpötiloissa ja korkeissa suurimmillaan B = 9 T magneettikentissä. Mittauksissa käytettiin ripustettuja näytteitä, joissa yhden atomikerroksen paksuinen grafeeni roikkui vain metallisten kontaktien varassa vapaana ulkoisista häiriöistä ja säilyi siten lähellä ideaalista teoreettista grafeenia. Työ jakautui kahteen osioon: elektronikuljetuskokeisiin ilman magneettikenttää suorakulmion muotoisilla yksi- ja kaksikerrosgrafeenilaitteilla (MLG ja BLG), ja elektronikuljetuskokeisiin korkeissa magneettikentissä Corbino-geometriaa hyödyntävillä laitteilla.  Suorakulmaisten näytteiden tapauksessa kehitettiin malli kuvaamaan metallikontaktien grafeeniin indusoimaa varausta ja elektronien kulkeutumista koko laitteen läpi. Tämän mallin pohjalta kyettiin ymmärtämään kokeissa näkyviä elektronisia Fabry-Pérot -resonansseja, joiden avulla demonstroitiin että elektronien kulkeutuminen laitteen läpi on vaihekoherenttia, ja että elektronien vapaamatka on laitteen dimensioita suurempi. Konduktanssimittausten lisäksi näillä näytteillä suoritettiin kahdenlaisia kohinamittauksia. Matalataajuuskohinamittauksissa kaksikerrosgrafeenin (BLG) kanssa havaittiin erittäin matala kohinataso, joka johtui laitteiden ripustetusta rakenteesta ja epäpuhtauksien varjostuksesta BLG:ssä. Matalaa kohinatasoa hyödynnettiin kaasusensorisovelluksessa, jossa eri kaasuja havaittiin niiden absorpoituessa tuottaman lisäkohinan kautta. Mikroaaltotaajuuksilla 600 - 900 MHz suoritetuissa raekohinamittauksissa määritettiin elektroni-fononi-kytkentä yksi- ja kaksikerrografeenissa käyttäen kohinaa grafeenin elektronien lämpötilan mittaukseen.  Corbino-laitteet suunniteltiin alusta alkaen korkeakenttämittauksiin, joiden tarkoituksena oli tutkia kokonaisluku- ja murtoluku-kvantti-Hall-ilmiöitä (IQHE ja FQHE) grafeenissa. Konduktanssimittauksissa havaittiinkin FQHE, joka sopi hyvin yhteen yleisesti hyväksytyn komposiitti-fermioni-teorian kanssa. Kokeissa havaittiin uusien hiukkasten - grafeenin komposiitti-fermionien - käyttäytyvän Diracin partikkeleiden lailla ja niiden syklotronimassan olevan lähellä elektronin lepomassaa. Suurimmilla käytettävissä olevilla kentillä ja pienillä varaustiheyksillä konduktanssimittauksissa havaittiin merkkejä elektronien Wigner-hilan muodostumisesta. Lisäksi tutkittiin kvantti-Hall-ilmiön tuhoutumista täyttöluvun ν = 0 tapauksessa. Matalilla magneettikentillä B < 7 T IQHE:n tuhoutumisen havaittiin johtuvan Zener-tunneloitumista ali-Landau tasojen välillä, kun taas korkeilla kentillä niin kutsutun "bootstrap electron heating" -mekanismin havaittiin dominoivan.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösRipustetun grafeenin kuljetuskokeet
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8017-8
Sähköinen ISBN978-952-60-8018-5
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • grafeeni, elektornin kuljetus, Fabry-Pérot, raekohina, elektroni-fononi-kytkentä, 1/f-kohina, kvantti-Hall-ilmiö, murtoluku-kvantti-Hall-ilmiö

ID: 30361911