Elastic and inelastic scattering in graphene studied by microwave transport and noise

par Andreas Betz

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Jean-Marc Berroir.

Soutenue en 2012

à Paris 6 .

  • Titre traduit

    Diffusion élastique et inélastique dans le graphène étudiée par transport micro-ondes et bruit


  • Résumé

    Cette thèse traite la diffusion élastique et inélastique dans le graphène, étudiée par dynamique des porteurs et par le bruit en GHz. D'abord, nous étudions les propriétés haute fréquences des FETs graphène sur des substrats différents. D'intérêt particulier est la fréquence de transit, définissant les capacités d'amplification de courant, et la transconductance: la sensibilité de grille. Valeurs élevées sont obtenues pour les deux paramètres dans les mesures GHz. Ils restent important même dans des dispositifs miniaturisés. Nous introduisons des condensateurs de graphene à effet de champ comme sonde de mécanismes de diffusion élastique. Nous pouvons acceder directement à la constante de diffusion et sa dépendance en densité de porteurs. Ce dernier définit le type de disordre présent. Nos nouvelles expériences GHz révèlent un temps de transport constant. Ceci est en désaccord avec les théories classiques, mais prend en charge le mécanisme de désordre de masse. Par ailleurs, nous étudions la diffusion inélastique des porteurs par les phonons acoustiques dans le graphène, qui est une première realisation dans une géométrie 2D. La thermométrie de bruit cryogénique large bande est utilisée pour détecter le courant de bruit à partir de lequelle nous trouvons la température électronique Te en fonction de la puissance P. Au bias élevée, nous trouvons P~Sigma*Te^4, comme le prédit la théorie. C'est le signe révélateur de refroidissement par phonons 2D. Par analyise plus creusee, nous trouvons les valeurs exactes de la constante de couplage electron-phonon acoustique, Sigma. Nos mesures indiquent l'importantance du desordre dans la relaxation de l'énergie électron-phonon


  • Résumé

    This thesis discusses the elastic and inelastic scattering in monolayer graphene, investigated by means of microwave carrier dynamics and noise. First we study the high frequency properties of graphene FETs on different substrates. Particular interest lies e. G. In the transit frequency, defining the transistor's current amplification capabilities, and the transconductance representing its gate sensitivity. High values are obtained for both parameters in GHz measurements. We find in particular that they remain substantial even in miniaturised devices. We introduce top-gated graphene field-effect capacitors as a probe of elastic scattering mechanisms in graphene. We are able to directly access the diffusion constant and its dependence on carrier density. The latter defines the type of scattering present in the graphene. Our novel GHz experiments reveal a constant transport scattering time. This is in disagreement with conventional theories, but supports the random Dirac mass disorder mechanism. Furthermore, we study inelastic scattering of charge carriers by acoustic phonons in graphene which is a first realisation in a 2D geometry. Broadband cryogenic noise thermometry is used to detect the current noise from which we extract the average electron temperature Te as a function of Joule power P. At high bias we find P~Sigma*Te^4 as predicted by theory. This is the tell-tale sign of 2D phonon cooling. From a heat equation analysis of data in a broad bias range, we extract accurate values of the electron-acoustic phonon coupling constant Sigma. Our measurements point to an important effect of lattice disorder in the electron-phonon energy relaxation

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Informations

  • Détails : 1 vol. (203 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 187-203. 195 réf. bibliogr.

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