Etude des propriétés électroniques du graphène et des matériaux à base de graphène sous champs magnétiques intenses

par Jean-Marie Poumirol

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Michel Goiran.

Le jury était composé de Michel Goiran, Walter Escoffier, Christian Joachim, Stephan Roche.

Les rapporteurs étaient Sophie Gueron, Uli Zeitler.


  • Résumé

    Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nanorubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration armchair du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi-feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couche de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhombohedral des trois couches de graphene constituant l'échantillon

  • Titre traduit

    Electronics properties of graphene and graphene-based systems under pulsed magnetic field


  • Résumé

    This thesis presents transport measurements on two-dimensional and one-dimensional graphene-based systems under pulsed magnetic field (60T). The objective of this work is to probe the dynamics of charge carriers by changing the density of states of the system by applying a strong magnetic field. The first part is devoted to the study of the influence of electron-hole pockets on the transport properties of graphene near the charge neutrality point. We found the appearance of fluctuations in the magneto-resistance due to the progressive transition of the electron/hole puddles of finite size in the quantum regime as the magnetic field increases. We have also shown that the variation of the Fermi energy, due to the increase of orbital Landau level degeneracy, is directly responsible of a change in the electron and hole ratio. The second part is devoted to the study of graphene nano-ribbons, we explored two different ranges of width. In the broad nano-ribbons of width W larger than 60 nm, the quantification of the resistance is observed, revealing a clear signature of the quantization of the energy spectrum into Landau levels. We show for the first time the effect of valley degeneracy lifting induced by the magnetic confinement of charge carriers at the edges of the armchair nano-ribbons. For narrower nano-ribbons (W <30 nm) in presence of edge defects and charged impurities, the progressive formation of chiral edge states leads to a positive magneto-conductance whatever the carrier density. Finally, the last part of this thesis deals with magneto-transport fingerprints in multi-layer graphene as we observed the quantum Hall effect in tri-layer graphene. A comparative study of the experimental results with numerical simulations was used to determine the rhombohedral stacking of three layers of graphene in the sample


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