Quantum Hall effect in exfoliated graphene

• Autorzy: Woszczyna M. , Friedemann M. , Pierz K. , Ahlers F.

Warianty tytułu

PL

Kwantowy efekt Halla w eksfoliowanym grafenie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Graphene, due to its one-atom layer thickness, naturally behaves as a two-dimensional (2D) semiconductor system, where quantum Hall effect (QHE) can be observed. One of the most remarkable features of graphene is that its carrier concentration can be tuned to either hole or electron system by applying external electric field, which is not possible in typical semiconductor 2D structures. The aim of this work is to present our experiments concerning graphene application in electrical quantum metrology as a resistance standard based on QHE. We describe fabrication steps of graphene devices. The so-called exfoliation method of obtaining monolayer graphene flakes is used. In this technology graphite pieces are reduced to graphene flakes by mechanical peeling of material using a sticky tape. Finally graphene is transferred onto a dielectric substrate and electrical contacts are formed by electron beam lithography. Two different types of substrates were utilized: Si/SiO₂ and a GaAs/AIAs heterostructure. A GaAs/AIAs multilayer, designed to render the exfoliated graphene flakes visible, provided the required back-gate insulation and good carrier tuneability, despite the barrier limited height compared to the usual SiO2 oxide barrier on doped silicon. We also present measurements of integer quantum Hall effect in graphene deposited on both types of substrate.

PL

Grafen zbudowany jest tylko z jednej warstwy atomów węgla. Z tego powodu charakteryzuje się typowymi właściwościami dwuwymiarowych systemów półprzewodnikowych, w których występuje kwantowy efekt Halla. Jednak w odróżnieniu od nich, w grafenie istnieje możliwość łatwego sterowania gęstością nośników zarówno typu elektronowego jak i dziurowego za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. W pracy przedstawiono wyniki badań zmierzających do zastosowania grafenu w metrologii kwantowej jako wzorca oporu elektrycznego. Zostały omówione etapy wytworzenia przyrządu. Płatki grafenu były otrzymywane metodą eksfoliacji z naturalnego grafitu, w której za pomocą taśmy klejącej odrywano kolejne warstwy węglowe aż do osiągnięcia tylko jednej warstwy grafenowej. Wyizolowany grafen przeniesiono na podłoże dielektryczne i wytworzono kontakty elektryczne metodą elektronolitografii. W badaniach zostały wykorzystane dwa rodzaje podłoża: Si/SiO₂ oraz specjalnie spreparowana heterostruktura GaAs/AlAs. Heterostruktura została wykonana w postaci naprzemiennie ułożonych warstw GaAs i AlAs tak, aby umożliwić szybką lokalizację grafenu na podłożu za pomocą mikroskopu optycznego, a także aby zapewnić wystarczającą izolację między grafenem a bramką sterującą gęstością nośników. W pracy zostały przedstawione wyniki pomiarów całkowitego kwantowego efektu Halla w grafenie naniesionego na obydwa wymienione podłoża.

Słowa kluczowe

EN

graphene; quantum Hall effect; quantum metrology

PL

grafen; kwantowy efekt Halla; metrologia kwantowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 52, nr 6
• Strony: 62--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz.

Twórcy

autor

Woszczyna M.

autor

Friedemann M.

autor

Pierz K.

autor

Ahlers F.

• Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Germany

Bibliografia

• [1] Tzalenchuk A., S. Lara-Avila, A. Kalaboukhov, S. Paolillo, M. Syväjärvi, R. Yakimova, O. Kazakova, T. J. B. M. Janssen, V. Fal'ko, S. Kubatkin: Towards a quantum resistance standard based on epitaxial grapheme. Nature Nanotechnology. 5 (2010) 186-9.
• [2] Bolotin K. I., K. J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, H. L. Stormer: Ultrahigh electron mobility in suspended grapheme. Solid State Communications, vol. 146, 2008, pp. 351-355.
• [3] Dean C. R., a F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K. L. Shepard, J. Hone: Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature nanotechnology, vol. 5, Oct. 2010, pp. 722-6.
• [4] Lara-Avila S., K. Moth-Poulsen, R. Yakimova, T. Bjornholm, V. Fal'ko, A. Tzalenchuk, S. Kubatkin: Non-Volatile Photochemical Gating of an Epitaxial Graphene/Polymer Heterostructure. Advanced Materials, Jan. 2011, p. n/a-n/a.
• [5] Kim K. S., Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J.-H. Ahn, P. Kim, J.-Y Choi, B. H. Hong: Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature. 457 (2009)706-10.
• [6] Friedemann M., K. Pierz, R. Stosch, F. J. Ahlers: Graphene on gallium arsenide: Engineering the visibility. Applied Physics Letters. 95 (2009) 102103.
• [7] Novoselov K. S., A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov: Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme. Nature. 438 (2005) 197-200.
• [8] Cho S., M. S. Fuhrer: Charge transport and inhomogeneity near the minimum conductivity point in grapheme. Physical Review B. 77 (2008) 081402.
• [9] Woszczyna M., M. Friedemann, K. Pierz, T. Weimann, F. J. Ahlers: Magneto-Transport Properties of Exfoliated Graphene on GaAs. To be published.
• [10] Adam S., E. H. Hwang, V. M. Galitski, S. Das Sarma: A self-consistent theory for graphene transport. PNAS. 104 (2007) 18392-7.
• [11] Martin J., N. Akerman, G. Ulbricht, T. Lohmann, J. H. Smet, K. von Klitzing, A. Yacoby: Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nature Physics. 4 (2007) 144-148.