Electronic properties of graphite

• Auteur / Autrice : Johannes Schneider
• Direction : Duncan Maude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (GrenobleToulouse2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Ouisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Piotr Kossacki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kamran Behnia, Laurence Eaves

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques intenses

Matériaux -- Effets des basses températures

Propriétés électromagnétiques

Graphite

Mots clés libres

Magnétotransport

Graphite

Effet SdH

Effet dHvA

Modèle SWM

Magnetotransport

SWM-model

DHvA effect

SdH effect

Résumé

Dans cette thèse le magnétotransport à basse température (T = 10 mK) et l'effet de Haas-van Alphen sont examinés pour le graphite naturel et le graphite HOPG. Dans la première partie, le magnétotransport au champ magnétique jusqu'à B = 11 T est présenté. Une analyse de Fourier du signal après soustraction du fond de magnétorésistance montre que le transport électrique dans le graphite est dominé par deux types de porteurs avec des fréquences et phases en accord avec le modèle SWM. Nous confirmons la validité du modèle SWM par des calculs détaillés de la structure de bande en champ magnétique. Le mouvement de l'énergie de Fermi pour B > 2 T est calculé d'une manière auto-cohérente en supposant que la somme des concentrations des électrons et des trous est constante. Des mesures sous champs magnétiques intenses (0 < B < 28 T) sont employées pour étudier l'effet Zeeman et la phase de l'onde de densité de charge. En ce qui concerne l'effet Zeeman, les calculs SWM incluant le mouvement de l'énergie de Fermi nécessitent un facteur de Lande g = 2. 5 pour reproduire la séparation de spin des motifs dans les données. Les mesures de l'onde de charge de densité confirment que le champ magnétique auquel l'onde de charge de densité apparait est lie a la température par une formule de type Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Des mesures de l'effet de Haas-van Alphen confirment les résultats obtenus par de magnétotransport à bas champ.

In this thesis, low-temperature magnetotransport (T = 10 mK) and the de Haas-van Alphen effect of both natural graphite and highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) are examined. In the first part, low field magnetotransport up to B = 11 T is discussed. A Fourier analysis of the background removed signal shows that the electric transport in graphite is governed by two types of charge carriers, electrons and holes. Their phase and frequency values agree with the predictions of the SWM-model. The SWM-model is then confirmed by detailed band structure calculations using the magnetic field Hamiltonian of graphite. The movement of the Fermi at B > 2 T is calculated self-consistently assuming that the sum of the electron and hole concentration is constant. The second part of the thesis deals with high field magnetotransport of natural graphite in the magnetic field range 0 < B < 28 T. Both spin splitting of magnetotransport features in tilted field configuration and the onset of the charge density wave (CDW) phase for different temperatures with the magnetic field applied normal to the sample plane are discussed. Concerning the Zeeman effect, the SWM calculations including the Fermi energy movement require a g-factor of g = 2. 5 to reproduce the spin spilt features. The measurements of the charge density wave confirm that the onset magnetic field of the charge density wave state can be described by a Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-type formula. The measurements of the de Haas-van Alphen effect agree with the results of the magnetotransport measurements at low field.