Magnéto-transport dans les nanorubans de graphène

par Rebeca Ribeiro

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Marc Broto et de Bertrand Raquet.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Dans ce travail de thèse, nous étudions les propriétés de transport électronique des nanorubans de graphène sous champs magnétiques intenses (jusqu'à 55 T) pour révéler les effets de confinements électroniques dans la structure de bande de graphène. Les nanorubans de graphène (GNRs) sont des matériaux prometteurs pour la nanoélectronique à base de carbone, qu'il s'agisse d'interconnection ou bien de dispositifs actifs pour l'electronique logique ou radiofréquence. Lorsque graphène est structurée à une échelle nanométrique, avec un contrôle précis de la symétrie des bords, il est possible d'ouvrir un gap d'énergie dans la structure de bande et de moduler le nombre de canaux de conductance par un couplage électrostatique local. Malheureusement, une telle ingénierie du gap s'accompagne d'un contrôle delicat de la qualité des bords et, par conséquence, d'une baisse drastique de la mobilité électronique. La plupart des effets du confinement sur la structure électronique sont alors masqués par la présence de désordre. La preuve expérimentale de la structure de bande électronique intrinsèque des GNRs reste un veritable challenge. Ici, nous démontrons que sous l'effet d'un grand confinement magnétique et ceux, malgré la présence de désordre, nous révélons des spectres Landau anormals, signatures du confinement électronique dans les GNRs. Les expériences de magnéto-transport sont principalement realisées en GNRs monocouches sur Si/SiO2, conçus par lithographie électronique et gravure ionique réactive, avec des largeurs nominales comprises entre 55 et 100 nm. La mobilité des porteurs varie de 600 à 3500 cm2 V-1 s-1. Pour les plus larges GNRs (~100 nm), présentant un régime faiblement diffusive, nous apportons la preuve, à forts niveaux de dopage, des anomalies dans les oscillations Shubnikov-de Haas, due au confinement électronique. A niveau de dopage plus faible, nous observons une quantification de la conductance en regime de Landau, avec des facteurs de remplissage attendus pour le graphène. Pour les GNRs les plus étroits, de nouvelles oscillations quantiques se développent dans le régime de Landau. Ce spectre singulier, directement comparé aux calculs des sous-bandes magnéto-électriques, est attribué à une levée de dégénérescence de vallée induite par le confinement en présence d'une symétrie de type armchair sur les bords Nous présentons egalement des résultats de transport electronique sous champs magnétiques intenses obtenus sur des nanorubans de graphène bicouche et nous les comparons au magnéto-transport realisé sur des bicouches graphène non structurées. La comparaison revéle de nouvelles magnéto-signatures dans les GNRs bicouche, provenant des effets de confinement électroniques. Comme partie complémentaire, nous étudions enfin la cohérence de phase dans les GNRs; celle-ci se manifeste par des fluctuations de conductance induites par un champ magnétique ou une tension de grille appliquée à l'échantillon. Nous nous concentrons principalement sur les fluctuations de conductance dans le régime hors équilibre. L'analyse des amplitudes et de la tension de corrélation donne accés à la longueur de cohérence de phase et met en evidence le role preponderant des interactions électron-électron comme mécanisme responsable de la décohérence. Finalement, nous étudions la réponse du graphène à un rayonnement THz. Les expériences montrent une corrélation forte entre la photo-réponse et le second harmonique des fluctuations de conductance. Ceci ouvre une nouvelle possibilité d'étudie des effets mésoscopiques non linéaires utilisant des rayonnements THz.

  • Titre traduit

    Magneto-transport in graphene nanoribbons


  • Résumé

    In the present PhD thesis, we study the electronic transport properties of grapheme nanoribbons under a large magnetic field (up to 55 T) to unveil the electronic confinement effects on the band structure of graphene. Graphene nanoribbons (GNRs) are promising materials to promote graphene for all carbon based nanoelectronics, including electronic wave guides and digital logic or radiofrequency devices. When graphene is structured at a nano-scale, with an accurate control of the edge symmetry, it is possible to open an energy gap in the band structure and to tune the number of conducting channels by a local electrostatic gate. Unfortunately, such a gap engineering goes along with a poor control of the edges' quality and, as a consequence, a drastic drop of the electronic mobility. Most of the confining potential effects on the band structure are masked by the presence of disorder and the experimental evidence of the intrinsic electronic band structure of GNR remains challenging. Here, we demonstrate that, by playing with a large magnetic confinement, we bring experimental evidence of anomalous Landau spectra, signature of the confining potential in GNRs. The magneto-transport experiments are mainly obtained on monolayer GNRs on Si/SiO2 substrates patterned by e-beam lithography and reactive ion etching, with nominal widths between 55 and 100 nm. The carrier mobility varies from 600 to 3500 cm2 V-1 s-1. For the largest GNR (~100 nm), presenting a weakly diffusive regime, we give evidence, at high doping levels, of anomalous Shubnikov-de Haas oscillations, fingerprint of the electronic confinement. At lower doping levels, we observe Landau quantization of the two probes conductance, for filling factor values expected for graphene. In narrower GNRs, new quantum oscillations develop in the quantum regime. This singular Landau spectrum, directly compared to magnetoelectric subbands calculations, is assigned to a possible valley degeneracy lifting driven by the confining potential in presence of armchair symmetry at the edges. Additionally, we present high magnetic field transport results obtained on bilayer graphene nanoribbons and we compare them to magneto-transport performed on un-structured graphene bilayer. The comparison unveils new magneto-signatures in bilayer GNRs, originating from the electronic confining effects. As a complementary part, we finally study the phase coherence in our GNR devices that manifests itself by magnetic field and back-gate voltage induced conductance fluctuations. We mainly focus on conductance fluctuations in the out-of-equilibrium regime. The analysis of the amplitude of the fluctuations and of the correlation voltage unveils the phase coherence length and its bias voltage dependence, signature of electron-electron interaction as the main mechanism responsible for the decoherence. Additionally, we investigate the response of graphene to a THz radiation. The experiments show a high cross correlation between the photo-response and the second harmonic conductance fluctuations of the electronic transport. This opens a new possibility to study non-linear mesoscopic effects using THz radiation.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Magnéto-transport dans les nanorubans de graphène

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 149-159

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0151
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