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Mesoscopic transport through graphene and molybdenum disulfide constrictions = Mesoskopischer Transport durch Graphen- und Molybdändisulfid-Einschnürungen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Alexander Epping

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (x, 154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03480
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/785773/files/785773.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik (Festkörperphysik) und II. Physikalisches Institut (132110)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
boron nitride (frei) ; graphene (frei) ; molybdenum disulfide (frei) ; nanoelectronics (frei) ; quantum transport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit berichtet über die Untersuchung von Graphen- und Molybdändisulfid- (MoS2) Nanostrukturen durch Tieftemperaturtransportexperimenten. Zwei verschiedene Techniken werden verwendet, um den mesoskopischen Transport und die Quanteneinschließung von Ladungsträgern in diesen zwei unterschiedlichen zweidimensionalen Materialien zu untersuchen. Alle Bauteile werden aus zweidimensionalen Heterostrukturen durch einen modernen trockenen Transferprozess hergestellt. In einem ersten Transportversuch werden geätzte einschichtige Graphen-Nano-bänder mit einer Breite von etwa 40 nm und einer Länge von 100 nm, die vollständig in hexagonalem Bornitrid (hBN) eingeschlossen sind, untersucht. Ohne Magnetfeld zeigen die Bauelemente ein qualitativ vergleichbares Verhalten mit Graphen basierten Nanobändern auf SiO2 oder hBN. Der Magnetotransport zeigt einen Übergang vom Coulomb-Blockade-Regime zu einem Regime komplett unterdrückter Leitfähigkeit, welche von einer sehr größeren Energielücke von bis zu 30 meV dominiert werden, welche durch elektronische Korrelationseffekte induziert wird. In anschließenden Experimenten wird ein neuartiges Bauteilschema zur Untersuchung des mesoskopischen Transports durch Molybdändisulfid- (MoS2) Einschnürungen unter Verwendung von photoinduzierter Dotierung untersucht. Der Dotierungsprozeß ist über das gesamte Bauteil homogen, effizient und ergibt ein metallisches Verhalten bei kryogenen Temperaturen (2 K) mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von bis zu µ = 600 cm^2/(Vs). Anschließend wird die Technik angewendet, um mit Hilfe vom Metall-Schattenmasken MoS2-Einschnürungen zu definieren. Damit erzeugen wir komplexer Dotierungsprofile auf einer Skala nahe dem Beugungslimit, wodurch der Quantentransport und reproduzierbare Signaturen von Quantenein- schluss-Effekten in MoS2 -Einschnürungen beobachtet werden kann. Schließlich wird ein Ansatz vorgestellt um die Photodoping-Technik durch Verringerung der Einschnürungsgröße zur Herstellung von MoS2-Nanobänder zu nutzen. Diese zeigen einen negativen differentiellen Leitwert (NDL), welcher durch die Gatter- und Biasspannung abstimmbar ist. Der NDL zeigt ein maximales Spitze-zu-Tal-Verhältnis von 1,2. Der Vergleich zu bereits durch eine andere Gruppe publizierten Simulationen des ballistischen Stroms durch eine Nanoeinschnürung basierend auf dem Nicht-Gleichgewichts-Green'schen Funktionsformalismus zeigen eine qualitative Übereinstimmung und deuten auf eine Größe unserer Nanobänder im Bereich von wenigen Nanometern.

This thesis reports on the investigation of graphene and molybdenum disulfide (MoS2) nanostructures in low-temperature transport experiments. Two different techniques are employed to study mesoscopic transport and quantum confinement of charge carriers in these two different two-dimensional materials. All devices are fabricated from two-dimensional heterostructures by a state-of-the transfer process. In a first transport experiment, etched graphene nanoribbons with a width around 40 nm and length of 100 nm fully encapsulated in hexagonal boron nitride (hBN) are investigated. At zero magnetic field the devices show a qualitatively comparable behavior to graphene nanoribbons on SiO2 or hBN. The magnetotransport reveals a crossover from the Coulomb blockade regime to a regime of completely suppressed transport which is dominated by a much larger energy gap of up to 30 meV induced by electronic correlation effects completely. In a following set of experiments a novel device scheme to investigate mesoscopic transport through molybdenum disulfide (MoS2) constrictions using long-lasting photo-induced doping is explored. The doping process is homogeneous and efficient throughout the entire device and yields metallic behavior of the devices at cryogenic temperatures, while preserving the charge carrier mobility of up to µ =600 cm^2/(Vs) at low temperatures (2 K). Subsequently, the photodoping technique is used to define MoS2 constrictions by using metal shadow masks. This demonstrates a way to produce complex doping profiles on a scale close to the diffraction limit and allows to observe quantum transport and reproducible signatures of quantum confinement effects in MoS2 constrictions. Finally, the photodoping technique is used to fabricate nanoconstrictions by reducing the constriction size. Here, we observe a gate and bias voltage tunable multilevel negative differential conductance (NDC). The NDC shows a maximum peak-to-valley ratio of 1.2. Comparing our results to simulations of the ballistic current through a nanoconstriction based on the non-equilibrium Green's function formalism already published by another group shows a qualitative agreement which indicates that our constrictions might only have a length on order of a few tens of nanometer.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020410367

Interne Identnummern
RWTH-2020-03480
Datensatz-ID: 785773

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
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Publications database
130000
132110

 Record created 2020-03-20, last modified 2023-04-11


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