Jonctions p-n dans le graphène en régime d'effet Hall quantique : vers la démonstration de nouveaux concepts d'étalons de résistance électrique

par Abir Nachawaty

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Benoit Jouault et de Adnan Naja.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Département Semiconducteurs, Matériaux et Capteurs (equipe de recherche) depuis le 01-09-2015 .


  • Résumé

    Le graphène, ce matériau composé d'une unique couche d'atomes de carbone, présente un effet Hall quantique remarquablement robuste. C'est un avantage essentiel pour le développement de nouveaux étalons de résistance électriques où la résistance est directement évaluée en fonction de la constante de Planck h et de la charge de l'électron, e. Récemment, dans un consortium de plusieurs laboratoires français (LNE, CRHEA, LPN et L2C), nous avons démontré que des dispositifs à base de graphène sont meilleurs que les étalons de résistance à base de puits quantiques en semiconducteur GaAs/GaAlAs qui sont actuellement utilisés dans les laboratoires de métrologie . Les dispositifs en graphène sont précis à des champs magnétiques plus faibles, et à des températures moins froides. Cette percée technologique, néanmoins, doit maintenant être accompagnée d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques sous-jacents : quels sont les mécanismes de dissipation à l'œuvre, pourquoi les plateaux de l'effet Hall quantique sont-ils si larges, etc. De plus, de nouvelles améliorations doivent constamment être envisagées : pourra-t-on moduler la concentration des porteurs, augmenter la mobilité? Pour ces raisons,nous identifions plusieurs axes de recherche comme il suit : 1) les couches de graphène obtenues à partir de différentes sources seront étudiées à température ambiante, afin d'en optimiser l'homogénéité, la concentration des porteurs, la mobilité. 2) A partir des meilleures couches, des barres de Hall et dispositifs similaires seront réalisés. L'effet Hall quantique y sera étudié. 3) Une attention particulière sera donnée à la modulation du dopage dans le plan (par grille chimique) du graphène, afin de réaliser des jonctions de type p-n. Ces jonctions ont un intérêt tout particulier pour le développement d'une nouvelle famille d'étalons de résistance, car la résistance quantifiée de Hall peut y être modulée sur plusieurs décades de résistances . Par ailleurs, l'interface p-n dans le graphène est encore mal comprise.

  • Titre traduit

    Understanding the quantum Hall effect in graphene p-n junctions: how to demonstrate new concepts of resistance standards.


  • Résumé

    Graphene, the material consists of a single layer of carbon atoms, has a remarkably robust quantum Hall effect. It is an essential advantage for the development of new electric resistance standards where resistance is directly assessed according to Planck's constant h and the electron charge e. Recently, a consortium of several French laboratories (LNE, CRHEA, LPN and L2C), we have demonstrated that graphene-based devices are better than the quantum wells based resistance standards in semiconductor GaAs / AlGaAs that are currently used in metrology laboratories. The graphene devices are accurate at lower magnetic fields, and less cold temperatures. This technological breakthrough, however, must now be accompanied by a better understanding of the physical phenomena underlying what are the dissipation mechanisms at work, why the plateaus of the quantum Hall effect are they so broad, etc. In addition, further improvements must constantly be considered: do we can modulate the carrier concentration, increase mobility? For this reason, we identify several research areas as follows: 1) graphene layers obtained from different sources will be studied at room temperature, in order to maximize homogeneity, carrier concentration and mobility. 2) From the best layers of the Hall bars and similar devices will be realized. The quantum Hall effect there will be studied. 3) Special attention will be given to the modulation doping in the (chemical grid) of graphene, to produce p-n type junctions. These junctions have special interest for the development of a new family of resistance standards, because the quantized Hall resistance can be varied over several decades of resistance . Furthermore, the p-n interface in graphene is still poorly understood.