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 École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Semi-Conducteurs:Graphène, Grand Gap et Photovoltaïque (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 [1]. 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 ? En pratique, l'étudiant en thèse sera en charge des mesures électriques. Il utilisera un cryostat versatile, permettant des mesures rapides et précises à des températures allant de l'ambiante à 300 mK, et ce avec des champs magnétiques jusqu'à 13 teslas. Les mesures se feront sous la supervision de W. Desrat et B. Jouault. Les études seront effectuées en collaboration avec d'autres laboratoires pour la croissance de graphène et la lithographie. Une part de la lithographie sera effectuée en salle blanche à Montpellier par l'étudiant. Des échantillons de complexité croissante seront étudiés. 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 [3]. Par ailleurs, l'interface p-n dans le graphène est encore mal comprise. 4) Enfin, une ouverture vers des matériaux semblables au graphène, tels les isolants topologiques, pourra être tentée. Ces matériaux présentent en théorie des résistances quantifiées même en l'absence de champ magnétique. L'effet est a priori fragile mais peut être étudié avec le même dispositif expérimental.

  • 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 [1]. 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? In practice, the PhD student will be responsible for electrical measurements. It will use a versatile cryostat, allowing fast and accurate measurements at temperatures ranging from ambient to 300 mK, and with magnetic fields up to 13 Tesla. The measures will be under the supervision of W. and B. Desrat Jouault. The studies will be conducted in collaboration with other laboratories for growing graphene and lithography. Part of lithography will be in a clean room in Montpellier by the student. increasing complexity of samples will be studied. 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 [3]. Furthermore, the p-n interface in graphene is still poorly understood. 4) Finally, an opening to the graphene-like materials, such as topological insulators, may be attempted. These materials have in theory resistors quantified even in the absence of magnetic field. The effect is a priori fragile but can be studied with the same experimental setup.