Transport Experiments on Suspended Graphene Devices

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-06-13
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
104 + app. 142
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 104/2018
Abstract
In this thesis, sophisticated conductance and noise measurements were employed for studying electron transport through suspended graphene devices in order to understand the fundamental properties of graphene. The experiments were conducted at low temperatures down to T = 10 mK, and at high magnetic fields up to B = 9 T on suspended graphene devices. In these devices, graphene is connected only to the metallic contacts leaving the graphene flake intact of outside disturbances, and close to ideal theoretical behavior. The work was divided into two segments: quantum transport studies in the zero magnetic field using rectangular bi- and monolayer graphene devices, and magnetotransport measurements at high magnetic fields on Corbino ring devices.  In the case of the rectangular graphene devices, a model for contact doping in monolayer graphene by the metal leads was developed first. This facilitated understanding of the transport through the whole device and served as a basis for understanding the origin of the observed Fabry-Pérot resonances. The resonances were used to demonstrate the phase-coherent transport and long mean free path in the devices. Two sets of noise measurements were performed on these devices. First, low frequency 1/f noise measurements on suspended bilayer graphene (BLG) devices revealed extremely low flicker noise levels that was contributed to the substrate-free form of the devices and the effective screening of fluctuations in BLG. The low intrinsic noise level was exploited in a gas sensing application, where adsorbed gases were detected through the extra noise caused by molecules that had landed on the device. In the later set of noise measurements at higher frequencies, f = 600 - 900 MHz, noise thermometry was employed for characterization of the electron-phonon coupling in bi- and monolayer graphene.  Finally, suspended graphene Corbino devices were developed for studying integer and fractional quantum Hall effect (IQHE and FQHE). The observed FQHE was explained with the established theory of composite fermions. Based on the measurements, it was concluded that the composite fermions in graphene are Dirac particles with cyclotron mass around one electron rest mass. At very high fields and low charge carrier densities, evidence of Wigner crystallization was obtained. Additionally, the breakdown of quantum Hall effect was studied at the filling factor ν = 0 in the middle of the lowest Landau level. Zener tunneling between Landau sublevels was found to facilitate the breakdown at fields below 7 T, while a more standard behavior due to bootstrapped electron heating was observed at higher fields.

Tässä työssä tutkittiin ripustettuja grafeeninäyttitä konduktanssi- ja kohinamittauksissa grafeenin perusominaisuuksien ymmärtämiseksi. Kokeet suoritettiin matalissa alimmillaan T = 10 mK lämpötiloissa ja korkeissa suurimmillaan B = 9 T magneettikentissä. Mittauksissa käytettiin ripustettuja näytteitä, joissa yhden atomikerroksen paksuinen grafeeni roikkui vain metallisten kontaktien varassa vapaana ulkoisista häiriöistä ja säilyi siten lähellä ideaalista teoreettista grafeenia. Työ jakautui kahteen osioon: elektronikuljetuskokeisiin ilman magneettikenttää suorakulmion muotoisilla yksi- ja kaksikerrosgrafeenilaitteilla (MLG ja BLG), ja elektronikuljetuskokeisiin korkeissa magneettikentissä Corbino-geometriaa hyödyntävillä laitteilla.  Suorakulmaisten näytteiden tapauksessa kehitettiin malli kuvaamaan metallikontaktien grafeeniin indusoimaa varausta ja elektronien kulkeutumista koko laitteen läpi. Tämän mallin pohjalta kyettiin ymmärtämään kokeissa näkyviä elektronisia Fabry-Pérot -resonansseja, joiden avulla demonstroitiin että elektronien kulkeutuminen laitteen läpi on vaihekoherenttia, ja että elektronien vapaamatka on laitteen dimensioita suurempi. Konduktanssimittausten lisäksi näillä näytteillä suoritettiin kahdenlaisia kohinamittauksia. Matalataajuuskohinamittauksissa kaksikerrosgrafeenin (BLG) kanssa havaittiin erittäin matala kohinataso, joka johtui laitteiden ripustetusta rakenteesta ja epäpuhtauksien varjostuksesta BLG:ssä. Matalaa kohinatasoa hyödynnettiin kaasusensorisovelluksessa, jossa eri kaasuja havaittiin niiden absorpoituessa tuottaman lisäkohinan kautta. Mikroaaltotaajuuksilla 600 - 900 MHz suoritetuissa raekohinamittauksissa määritettiin elektroni-fononi-kytkentä yksi- ja kaksikerrografeenissa käyttäen kohinaa grafeenin elektronien lämpötilan mittaukseen.  Corbino-laitteet suunniteltiin alusta alkaen korkeakenttämittauksiin, joiden tarkoituksena oli tutkia kokonaisluku- ja murtoluku-kvantti-Hall-ilmiöitä (IQHE ja FQHE) grafeenissa. Konduktanssimittauksissa havaittiinkin FQHE, joka sopi hyvin yhteen yleisesti hyväksytyn komposiitti-fermioni-teorian kanssa. Kokeissa havaittiin uusien hiukkasten - grafeenin komposiitti-fermionien - käyttäytyvän Diracin partikkeleiden lailla ja niiden syklotronimassan olevan lähellä elektronin lepomassaa. Suurimmilla käytettävissä olevilla kentillä ja pienillä varaustiheyksillä konduktanssimittauksissa havaittiin merkkejä elektronien Wigner-hilan muodostumisesta. Lisäksi tutkittiin kvantti-Hall-ilmiön tuhoutumista täyttöluvun ν = 0 tapauksessa. Matalilla magneettikentillä B < 7 T IQHE:n tuhoutumisen havaittiin johtuvan Zener-tunneloitumista ali-Landau tasojen välillä, kun taas korkeilla kentillä niin kutsutun "bootstrap electron heating" -mekanismin havaittiin dominoivan.
Description
Supervisor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
graphene, electron transport, Fabry-Pérot, shot noise, electron-phonon coupling, 1/f noise, quantum Hall effect, fractional quantum Hall effect, grafeeni, elektornin kuljetus, Fabry-Pérot, raekohina, elektroni-fononi-kytkentä, 1/f-kohina, kvantti-Hall-ilmiö, murtoluku-kvantti-Hall-ilmiö
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Antti Laitinen, Mika Oksanen, Aurélien Fay, Daniel Cox, Matti Tomi, Pauli Virtanen, Pertti J. Hakonen. Electron-Phonon Coupling in Suspended Graphene: Supercollisions by Ripples. Nano Lett., 14, 3009-3013, 2014.
    DOI: 10.1021/nl404258a View at publisher
  • [Publication 2]: Antti Laitinen, Manohar Kumar, Mika Oksanen, Bernard Plaçais, Pauli Virtanen, Pertti Hakonen. Coupling between electrons and optical phonons in suspended bilayer graphene. Phys. Rev. B, 91, 121414(R), 2015.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.91.121414 View at publisher
  • [Publication 3]: Antti Laitinen, G.S. Paraoanu, Mika Oksanen, Monica F. Craciun, Saverio Russo, Edouard Sonin, Pertti Hakonen. Contact doping, Klein tunneling, and asymmetry of shot noise in suspended graphene. Phys. Rev. B, 93, 115413, 2016.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.93.115413 View at publisher
  • [Publication 4]: Mika Oksanen, Andreas Uppstu, Antti Laitinen, Daniel J. Cox, Monica F. Craciun, Saverio Russo, Ari Harju, Pertti Hakonen. Single-mode and multimode Fabry-Pérot interference in suspended graphene. Phys. Rev. B,89, 121414(R), 2014.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.89.121414 View at publisher
  • [Publication 5]: Manohar Kumar, Antti Laitinen, Daniel Cox, Pertti J. Hakonen. Ultra low 1/ f noise in suspended bilayer graphene. Appl. Phys. Lett., 106, 263505, 2015.
    DOI: 10.1063/1.4923190 View at publisher
  • [Publication 6]: Manohar Kumar, Antti Laitinen, Pertti J. Hakonen. Unconventional fractional quantum Hall states and Wigner crystallization in suspended Corbino graphene. Submitted to Nat. Commun., 2018.
  • [Publication 7]: Antti Laitinen, Manohar Kumar, Pertti J. Hakonen. Weak antilocalization of composite fermions in graphene. Phys. Rev. B, 97, 075113, 2018.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.97.075113 View at publisher
  • [Publication 8]: Antti Laitinen, Manohar Kumar, Pertti Hakonen, Edouard Sonin. Gyrotropic Zener tunneling and nonlinear IV curves in the zero-energy Landau level of graphene in a strong magnetic field. Sci. Rep., 8, 594, 2018.
    DOI: 10.1038/s41598-017-18959-7 View at publisher
  • [Publication 9]: Antti Laitinen, Manohar Kumar, Teemu Elo, Ying Liu, Abhilash Thanniyil Sebastian, Pertti J. Hakonen. Breakdown of zero-energy quantum Hall state in graphene in the light of current fluctuations and shot noise.J. Low Temp. Phys.
    DOI: 10.1007/s10909-018-1855-x, 2018 View at publisher
Citation
Collections