Особенности магнетосопротивления и терагерцовой фотопроводимости в графене

• Автор: Васильева, Галина Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Введение в физику графена

1.1 Монослойный графен

1.2 Двухслойный графен

1.3 Экспериментальные исследования зонной структуры графена

1.4 Основные транспортные свойства графена

1.5 Уровни Ландау и квантовый эффект Холла

1.6 Оптические свойства графена в высокочастотной области

Глава 2. Изготовление образцов графена и экспериментальная установка

2.1 Получение графена методом «скотча»

2.2 Структурирование и изготовление контактов
2.3Бондинг (микросварка)
2.4 Отжиг и очистка атомно-силовым микроскопом
2.5 Графен, полученный методом сублимации
2.6 Установка для транспортных измерений
2.7 Установка для измерения фотопроводимости графена
Глава 3. Особенности магнетосопротивления двухслойного графена вдали от точки электронейтральности, а также сильнолегированного двухслойного
графена
Глава 4. Корневое магнетосопротивление в монослойном графене
Глава 5. Линейное магнетосопротивление в двухслойном графене в точке
электронейтральности
Глава 6. Терагерцовая фотопроводимость в графене
Основные результаты работы
Список используемой литературы

Введение.
Актуальность проблемы.
Графен - аллотропная модификация углерода, представляет собой одноатомный слой графита. Первая экспериментальная работа, вызвавшая колоссальный интерес к этому материалу, была опубликована в 2004 году [1]. Она инициировала огромное количество как экспериментальных, так и теоретических исследований, обнаруживших уникальные свойства графена. Важность этих исследований была быстро оценена научным сообществом, и уже в 2010 году двое соавторов пионерской работы были удостоены Нобелевской премии. О значимости этого материала свидетельствует и то, что теперь ни одна крупная международная конференция по физике низкоразмерных структур не обходится без докладов о графене. Причина такого интереса связана с тем, что в графене можно изучать эффекты, которые невозможно наблюдать в обычных полупроводниковых системах. Например, квантовый эффект холла наблюдается в графене даже при комнатной температуре. Важным является тот факт, что носители заряда в графене подчиняются линейному закону дисперсии и являются дираковскими безмассовыми фермионами. Кроме того, графен, как углеродный материал, рассматривается в качестве базового элемента для развития коммерческой электроники и предсказывается появление различных приборов на его основе в ближайшем будущем.
Несмотря на большое количество работ в этой области, многие эффекты остаются непонятыми и требуют дальнейшего изучения. В частности, до конца не развита теория магнетосопротивления в графене, отсутствует понимание асимметрии свойств электронов и дырок, проявляющейся в магнетотранспорте, практически отсутствуют публикации по терагерцовой фотопроводимости в графене. Исследования, проведенные в рамках данной диссертационной работы, привели к обнаружению новых особенностей магнетосопротивления монослойного и двухслойного графена, а исследования терагерцовой фотопроводимости в графене могут быть полезными для разработки новых оптоэлектронных приборов на основе графена.
Основная цель работы: Исследовать проводимость образцов монослойного и двухслойного графена различной степени легирования в широком диапазоне магнитных полей, и изучить возможности получения сигнала терагерцовой фотопроводимости в образцах графена.
Задачи работы:
1. Изготовить образцы графена, в которых можно регулировать концентрацию носителей заряда меняя напряжение на затворе.
2. Исследовать магнетосопротивление однослойного и двухслойного графена в широком интервале температур и концентраций носителей.
3. Исследовать магнетосопротивление монослойного графена с разными типами рассеивающего потенциала.
4. Изучить влияние размерных и краевых эффектов на магнетосопротивление графена.
5. Изучить терагерцовую фотопроводимость в графене.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. В монослойном графене экспериментально обнаружено, что сопротивление может зависеть корневым образом от магнитного поля в слабых магнитных полях. Подобный тип магнетосопротивления в слабых магнитных полях ранее не наблюдался. Экспериментально установлено, что такое магнетосопротивление связано с рассеянием на короткодействующем потенциале.
2. Впервые получены результаты, демонстрирующие проявление нетривиальной спектральной зависимости (типа «Мексиканской шляпы») в двухслойном графене в транспортных измерениях.
3. Обнаружено положительное магнетосопротивление в двухслойном графене при высокой концентрации дырок, не чувствительное к размерам и степени легирования образцов. Такое магнетосопротивление не меняется при повышении

фотопроводимости нами использовались образцы, полученные методом сублимации графена на карбиде кремния, которым придавалась специальная форма. Отметим, что наличие дефектов и низкая подвижность носителей являются существенными недостатками полученных таким способом образцов.
2.1 Получение графена «методом скотча».
Для получения графена микромеханическим расщеплением нужны скотч, графит, подложка и микроскоп. Этот процесс можно разбить на несколько основных последовательных этапов: подготовка подложки, подготовка графита, соединение подложки с графитом, и, наконец, отбор подходящих образцов с помощью микроскопа.
В качестве подложки использовался легированный кремний с пленкой оксида кремния толщиной ЗЗОнм, толщина всей структуры составляла 1мм. Выбор такой подложки обусловлен удобством изготовления нижнего (используется также термин «обратный») затвора. Если толщина изолирующего слоя будет слишком тонкой, то при приложении больших напряжений будет происходить пробой. А если толщина будет, наоборот, слишком большой, то для изменения концентрации придется прикладывать слишком большие -напряжения, что так же не всегда удобно. Кремний поставляется в лабораторию в виде больших шайб. В начале эти шайбы раскалывают на квадраты размером 4x4 мм, чтобы потом готовый образец можно было вставить в держатель для образцов. Раскалывание шайб производится до нанесения на них графена, т.к. в противном случае это может привести к его повреждению. Прежде чем наносить на подложку графен, её нужно тщательно очистить. Начиная с этого момента, вся работа должна проводиться в чистых комнатах и в специальной одежде, которая предотвращает попадание пыли и других загрязнений с одежды на образцы (фотография такого помещения приведена на рис. 2.1). Для очистки поверхности, нарезанные нужной формой куски подложки помещаются в лабораторный