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Thèse Année : 2021

Electron optics in ballistic graphene studied by scanning gate microscopy

Etudes d'optique électronique dans le graphène balistique par microscopie à grille locale

Marco Guerra
  • Fonction : Auteur

Résumé

In the first part of this thesis, I studied the spatial current distribution of relativistic Dirac fermions in ballistic graphene heterostructure p-n junctions. The graphene junctions are fabricated via van-der-Waals pick-up technique, and consists of a graphene flake encapsulated between two flakes of hexagonal boron nitride. Two independent backgates, made from a highly-doped silicon substrate and a local graphite flake, govern the graphene chemical potentials in two segments of the junctions, forming thus an electrostatic modulated interface which can operate both in unipolar (n-n' or p-p' junctions) and bipolar (n-p or p-n junctions) regimes. While in the unipolar regimes it is possible to characterize the influence of the electrostatic interface on a ballistic stream of electron or hole quasi-particles, in the bipolar regime electron waves in graphene experience negative refraction when passing rapidly from the conduction band to the valence band. The negative refraction allows to achieve Veselago lensing phenomena, with the formations of focal points obeying to the Snell-Descartes law for Dirac fermions. The device integrates a series of essential features to engineer electron optics devices, such as pinhole collimators, reflection-less edges with electron absorbers, and a thin pristine graphite backgate for precise interface definition.The tool I employed to image the transport signatures in the junctions is a scanning gate microscope (SGM). It relies on a cryogenic atomic force microscope (AFM) with an electrically polarized probe, which scans at a fixed height from the device surface, inducing a local potential change. Electrical measurements during the scan give access to spatial details of transport.The local electrostatic perturbation of the SGM scatters the electron flow and generates spatial maps of transmitted current with a high contrast across the p-n interface. I observed signatures of Veselago focusing that agree qualitatively with the theory. The SGM maps of the reflected current shows interesting features that could be attributed to Klein tunnelling promoted from the electrostatic action of the tip, and to the formations of scattering states close to the injection region. In order to reverse engineer the effect of the tip potential on the electron trajectories, I developed a series of ray-tracing simulations in a semi-classical context which are compared with the experimental data.In the second part of the thesis I performed a series of SGM experiments that provide spatial informations on the positioning of the backscattering between chiral quantum Hall edge states in two different high-mobility graphene Hall bar heterostructures. In one Hall bar, a local graphite backgate allowed to characterize the electrostatic confinement of edge channels in space. I identified a series of concentric rings typical of Coulomb blockade transport through a localized state gated by the tip. The diamond-shaped stability diagram at finite source-drain bias, in the proximity of the rings, verifies the key-role of Coulomb blockade in the percolation of quantum Hall channels through a disordered potential landscape.
Dans cette thèse, j’étudie le transport électronique de fermions de Dirac relativistes dans les jonctions p-n en graphène. Ces jonctions, fabriquées avec la technique de l’assemblage van-der-Waals, sont formées par l’encapsulation d’un flocon de graphène entre deux cristaux fins de nitrure de bore hexagonal. Deux grilles électrostatiques indépendantes, en silicium fortement dopé et en graphite, permettent de contrôler la densité des porteurs de charge dans les deux régions de la jonction, pouvant ainsi fonctionner dans le régime unipolaire (n-n’ et p-p’) ou bipolaire (n-p et p-n). Si dans le cas unipolaire il est possible de caractériser l’influence de l’interface pour un flux balistique de porteurs, dans le cas bipolaire les ondes électroniques sont sujettes à une réfraction négative, les porteurs de charge passant rapidement de la bande de conduction à la bande de valence. Le courant transmis par la jonction génère un point focal de haute densité obéissant à une loi effective de Snell-Descartes pour les fermions de Dirac. La réfraction négative est le mécanisme à la base de la lentille de Veselago. Par ailleurs, les jonctions fabriquées intègrent une série de caractéristiques essentielles pour concevoir des dispositifs d’optique électronique, comme des collimateurs d’électrons bidimensionnels, des bords sans réflexion dotés d’absorbeurs, et une grille en graphite pour une définition précise de l’interface électrostatique.Afin de visualiser le flux du courant dans les jonctions p-n, j’ai employé un microscope à balayage de grille locale (SGM). Cette méthode repose sur l’utilisation d’un microscope à force atomique (AFM) cryogénique, avec une pointe polarisée électriquement et balayée à hauteur fixe par rapport à la surface d’un dispositif, induisant un changement de potentiel à l’échelle locale. Des mesures de conductance électrique du dispositif pendant le balayage de la pointe donnent accès aux informations spatiales sur le transport des électrons. Dans le cas des jonctions p-n en graphène, la perturbation électrostatique locale induite par la pointe modifie le flux d’électrons et génère des cartes spatiales du courant transmis avec un contraste élevé au voisinage de l’interface p-n. J’ai observé des signatures de focalisation de type Veselago, en bon accord quantitatif avec la théorie. Les cartes SGM du courant réfléchi montrent une série de caractéristiques intéressantes qui pourraient être attribuées à l’effet tunnel de Klein, favorisée par l’action électrostatique de la pointe. Afin de mieux comprendre l’effet du potentiel de la pointe sur les trajectoires des électrons, j’ai développé des simulations ray-tracing dans un contexte semi-classique, et je les ai comparées aux données expérimentales.La seconde partie de ma thèse est consacrée à des expériences SGM visant à imager la rétrodiffusion entre les états de bords chiraux de l’effet Hall quantique, dans des dispositifs en graphène de haute mobilité. En contrôlant le confinement électrostatique des états de bords à l’aide d’une grille latérale en graphite, j’ai pu identifier une série d’anneaux concentriques typiques du transport d’un électron unique au travers d’un état localisé. La mesure du diagramme de stabilité en fonction de la tension source-drain, en plaçant la pointe à proximité de ces anneaux, met en évidence le rôle clé du blocage de Coulomb dans le processus de percolation entre les canaux de bords de l’effet Hall quantique en présence d’un potentiel désordonné.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03555779 , version 1 (03-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03555779 , version 1

Citer

Marco Guerra. Electron optics in ballistic graphene studied by scanning gate microscopy. Condensed Matter [cond-mat]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY041⟩. ⟨tel-03555779⟩

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