Research Collection - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
Electronic properties of confined systems in single and bilayer
graphene
Author(s):
Dröscher, Susanne
Publication Date:
2012
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-007319389
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
Diss. ETH No. 20450
Electronic properties of confined systems
in single and bilayer graphene
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Susanne Dröscher
M.Sc. KTH Stockholm
born April 25, 1984
citizen of Germany
accepted on the recommendation of:
Prof. Dr. Klaus Ensslin, examiner
Prof. Dr. Adrian Bachtold, co-examiner
Prof. Dr. Thomas Ihn, co-examiner
May 2012
Abstract
In this thesis, we present transport experiments on both single and bilayer graphene
devices at cryogenic temperatures. Charge transport is strongly influenced by the
system dimensions and we present different methods to confine carriers laterally.
Single and bilayer graphene exhibit a gapless energy spectrum, meaning that the
transition from hole-like to electron-like transport is continuous and a finite conductivity is maintained at all energies. In bilayer graphene, however, the degeneracy
of the valence band and the conduction band can be lifted by a potential difference between the two layers. We demonstrate, that a band gap is induced in an
unpatterned double gated bilayer graphene flake, if a perpendicular electric field is
applied. Thermal activation measurements yield an upper boundary of Egap ≈ 4
meV for the size of the opened energy gap.
A deeper understanding of the single layer transport characteristics is gained by
measurements of the quantum capacitance. This quantity is directly related to the
density of states, which determines the electronic properties of a system. In contrast
to theoretical predictions, we find that the density of states remains finite even at
zero Fermi energy.
Quasi one-dimensional channels of single and bilayer graphene are investigated
in a next step. Transport is dominated by a chain of quantum dots forming spontaneously due to disorder. Consequently the conductance is suppressed in a regime
governed by Coulomb blockade. For single layer devices we show that between
conductance resonances in this transport gap, cotunneling transport at the lowest
temperatures turns into activated transport at higher temperatures.
As a further confined system, an etched bilayer grahene quantum dot is studied.
With an additional top gate finger the island can be tuned independently from
the reservoirs. Coulomb blockade resonances are observed in this system and their
evolution is studied in an electric field as well as in a magnetic field. Moreover, we
demonstrate first experiments with a pulsed gate, evidencing the feasibility of high
frequency experiments on graphene devices.
Finally, an alternative approach for charge carrier confinement in bilayer graphene is presented. Since a band gap can be opened in this material, insulating
regions can be defined below top gates. We show, that carriers are indeed directed
through a narrow opening between gates and discuss possible transport mechanisms.
i
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit präsentieren wir Tieftemperaturexperimente, die den
Ladungstransport in ein- und zweilagigem Graphen untersuchen. Allgemein werden die Transporteigenschaften eines Systems stark von dessen Dimensionen beeinflusst und wir zeigen verschiedene Möglichkeiten auf, diese für Ladungsträger zu
reduzieren.
Sowohl einlagiges als auch zweilagiges Graphen besitzt keine Bandlücke und
somit ist der Übergang von Löcher- zu Elektronentransport kontinuierlich. Ausserdem verbleibt die Leitfähigkeit für jede beliebige Energie bei endlichen Werten. In
zweilagigem Graphen kann die Entartung des Valenz- und des Leitungsbandes jedoch durch eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Lagen aufgehoben werden.
Wir zeigen anhand eines unstrukturierten, zweilagigen Graphenflakes, das mit einem
Top- und einem Bottomgate abgestimmt werden kann, dass ein senkrechtes elektrisches Feld eine Bandlücke erzeugt. Als Obergrenze für die Grösse dieser Bandlücke
finden wir mittels Messungen der thermischen Aktivierung den Wert Egap ≈ 4 meV.
Durch Messungen der Quantenkapazität gewinnen wir ein besseres Verständnis
der Transporteigenschaften von einlagigem Graphen. Diese Grösse hängt direkt mit
der Zustandsdichte zusammen, welche wiederum die elektrischen Eigenschaften eines
Systems bestimmt. Im Gegensatz zu theoretischen Vorhersagen finden wir, dass die
Zustandsdichten selbst bei Fermienergie gleich null, endliche Werte einnimmt.
Im nächsten Schritt untersuchen wir quasi-eindimensionale Kanäle in ein- und
zweilagigem Graphen. In diesen wird der Transport wird durch eine Kette von
Quantenpunkten dominiert, die sich aufgrund von Unordnung formen. Infolgedessen
wird der Leitwert in diesem Regime, das sich durch Coulombblockade auszeichnet,
unterdrückt. Für den Leitwert zwischen Coulombresonanzen zeigen wir anhand
von einlagigem Graphen, dass Cotunnelprozesse bei tiefen Temperaturen von aktiviertem Transport bei höheren Temperaturen abgelöst werden.
In einem geätzten Quantenpunkt aus zweilagigem Graphen werden die Dimensionen weiter reduziert. Dank eines zusätzlichen Topgatefingers kann die Insel unabhängig von den Reservoiren abgestimmt werden. In diesem System sehen wir
Coulombresonanzen und untersuchen deren Verhalten sowohl im elektrischen Feld
als auch im Magnetfeld. Zudem zeigen wir erste Experimente mit gepulsten Gates,
mit denen wir die Möglichkeit von Hochfrequenzexperimenten an Graphenproben
ii
belegen.
Schliesslich präsentieren wir eine Alternative zu geätzten Strukturen, um Ladungsträger in zweilagigem Graphen lateral einzuschränken. Da in diesem Material
eine Bandlücke geöffnet werden kann, können isolierende Flächen mittels Topgates
definiert werden. Wir demonstrieren, dass Ladungsträger tatsächlich durch eine
schmale Öffnung zwischen zwei Gates geleitet werden.
iii