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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-139461
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.13946
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 20 April 2010 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Dieter Weiss und Prof. Dr. Franz J. Gießibl |
| Tag der Prüfung: | 29 März 2010 |
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Dieter Weiss |
| Stichwörter / Keywords: | graphene, substrate, semiconducting, transport, magnetotransport, atomic force microscopy, imaging ellipsometry, phase coherent transport, weak localization |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 13946 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis deals with the influence of the substrate materials on the mechanical, electrical and magnetotransport properties of exfoliated graphene. Therefore we prepared graphene transistor-like devices on top of crystalline molecular beam epitaxial grown GaAs-based substrates and compare the results with graphene on the commonly used silicon substrates with 300 nm silicon dioxide on top. We ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis deals with the influence of the substrate materials on the mechanical, electrical and magnetotransport properties of exfoliated graphene. Therefore we prepared graphene transistor-like devices on top of crystalline molecular beam epitaxial grown GaAs-based substrates and compare the results with graphene on the commonly used silicon substrates with 300 nm silicon dioxide on top. We found that the various kind of surface configurations of our substrates ranging from amorphous silicon dioxide over polar very flat (001) GaAs to magnetic p-doped GaMnAs and rough cross-hatched InGaAs do not affect the formation or stability of graphene. The localization of the graphene flakes was done by a combination of scanning electron and atomic force microscopy (AFM). Investigations of the morphology by AFM attested graphene to follow a continuous substrate texture from approx. 8 nm to more than 1 micrometer. Extensive AFM studies including power spectral density analysis pointed out that a pattering step using electron beam lithography leaves some unwanted PMMA residues on top of the graphitic layer, even after careful lift-off.
From extensive imaging ellipsometry studies, where a graphene monolayer on silicon dioxide was measured angle and wavelength dependent, the optical dispersion relation was modelled with a comprehensive algorithm basing on the Drude model and developed by Accurion company. Both, the values for extinction and refraction indices for incident wavelengths from 350 nm to 1000 nm increase with increasing wavelength. Furthermore, graphene flakes were detectable also on the crystalline GaAs-based substrates by imagine ellipsometry.
The main focus of this thesis lies on the electrical and magnetotransport properties of graphene mono-, bi- and few-layer graphene on GaAs, on InGaAs and for comparison on silicon dioxide substrates. We found that position and absolute resistance value of the charge neutrality point and the charge carrier mobility exhibit an unexpected temperature dependence. The charge carrier mobility of our sample constitutes between 1660 and 3600 cm^2/(Vs), what is in the range also found for identically prepared graphene samples on silicon dioxide. Magnetotransport measurements in the high field region reveal signatures of quantized transport phenomena. From the Hall-slope and the 1/B periodicity of the Shubnikov-de Haas oscillations the charge carrier density was quantifiable. Interestingly, we found that at low temperatures the type of intrinsic doping was p-type for all graphene samples on GaAs and InGaAs substrates, whereas n- and p-type doping was found for graphene on silicon dioxide. Moreover, the magnetoresistance in whole magnetic field range up to temperatures of about T = 30 K is superimposed by highly reproducible universal conductance fluctuations. Additionally, the low field region is dominated by the signal of the weak localization phenomenon up to more than T = 65 K. From this, the phase coherence length, the elastic intravalley scattering length and the elastic intervalley scattering lengths were calculated. The coherence length reaches 317 nm and all determined lengths reveal values comparable to those reported in literature for graphene on silicon dioxide. In this context, an astonishing and highly reproducible aperiodical suppression of the weak localization signal by tuning the carrier density accompanied by lowering of all characteristic length was observed for all graphene samples on GaAs substrates. However, this feature was not observable for our graphene samples on silicon dioxide and the origin of this striking phenomenon is still unclear.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss des Substrates auf die mechanischen, elektrischen und Magnetotransporteigenschaften von mikromechanisch gespaltenem Graphen. Dazu wurden Graphen-Transistorstrukturen auf kristallinen GaAs-basierte Substrate hergestellt, wobei die Substrate mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden. Die Ergebnisse werden mit Graphen auf dem üblicherweise ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss des Substrates auf die mechanischen, elektrischen und Magnetotransporteigenschaften von mikromechanisch gespaltenem Graphen. Dazu wurden Graphen-Transistorstrukturen auf kristallinen GaAs-basierte Substrate hergestellt, wobei die Substrate mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden. Die Ergebnisse werden mit Graphen auf dem üblicherweise verwendeten 300 nm Siliziumdioxid auf Silizium verglichen.
Sowohl Herstellung, als auch Stabilität des deponierten Graphen ist unabhängig von den unterschiedlichen Substratoberflächen, beginnend mit amorphem Siliziumdioxid, über sehr glattem und polaren (001) GaAs und p-dotiertem GaMnAs hin zum rauhen von InGaAs mit einer „cross-hatched“ Morphologie. Die Graphen-Flocken wurden mittels einer Kombination aus Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (AFM) lokalisiert. AFM-Untersuchungen der Morphologie zeigen, dass Graphen einer kontinuierlichen Untergrundtextur mit einer Welligkeit von ca. acht nm bis zu mehr als einem Mikrometer folgt. Umfassende AFM Untersuchungen einschließlich Analyse der spektralen Leistungsdichte zeigen, dass nach einem Elektronenstrahl-Lithographieschritt unerwünschte PMMA Rückstände auf der Oberfläche zurückbleiben. Diese sind auch nach sehr sorgfältigem Lift-off Prozess noch vorhanden.
An einer Graphen Monolage auf einem Siliziumdioxid Substrat wurden umfangreiche winkel- und wellenlängenabhängige Messungen mittels abbildender Ellipsometrie durchgeführt. So konnte mit einem auf dem Drude-Model basierenden Algorithmus der Firma Accurion die Daten angefittet und so die optische Dispersion ermittelt werden. Sowohl die Werte für die Extinktion als auch für den Brechungsindex steigen mit zunehmender Wellenlänge im untersuchten Bereich von 350 nm bis 1000nm. Ferner konnten mit dieser Technik Graphen Flocken auf kristallinen GaAs Substraten detektiert werden.
Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung der elektrischen und Magnetotransport Eigenschaften von Mono-, Bi- und Mehrlagen Graphen auf GaAs-, InGaAs- und vergleichend auf Siliziumdioxid-Substratmaterialien. Der Ladungsneutralitätspunkt zeigt sowohl bezüglich seiner Position als auch des absoluten Widerstandswerts eine unerwartete Temperaturabhängigkeit. Die Ladungsträgerbeweglichkeiten der Proben auf den GaAs-basierten Substraten ist vergleichbar zu identisch präparierten Proben auf Siliziumdioxid und betrugen zwischen 1660 und 3600 cm^2/(Vs). Magnetotransportmessungen bei höheren Feldern weisen Signaturen von quantisierten Transportphänomenen auf. Aus der Hall-Steigung und der 1/B-Periodizität der Shubnikov-de Haas Oszillationen konnte die Ladungsträgerdichte bestimmt werden. Interessanterweise zeigt sich, dass bei tiefen Temperaturen die Art der intrinsischen Dotierung für alle Graphen Proben auf GaAs und InGaAs Substraten immer lochartig war. Wohingegen sowohl lochartige als auch elektronenartige intrinsische Dotierungen für Graphene auf Siliziumdioxid gefunden wurden. Über den kompletten experimentell zugänglichen Magnetfeldbereich und bis hin zu Temperaturen von etwa T = 30 K waren reproduzierbare universelle Leitwertfluktuationen beobachtbar. Bei kleinen magnetischen Feldern dominiert der Effekt der schwachen Lokalisierung der Ladungsträger den Magnetowiderstand. Der Effekt ist bis zu relativ hohen Temperaturen von mehr als T = 65 K beobachtbar und ermöglicht die Bestimmung von Phasenkohärenzlänge und von elastischer Intra- und Intervalley-Streulängen. Hierbei erreicht die Phasenkohärenzlänge bis zu 317 nm. Generell liegen alle ermittelten charakteristischen Längen im Bereich der für Graphen auf Siliziumdioxid in der Literatur berichteten Werte. Zusätzlich konnte eine unerwartete aperiodische Unterdrückung der schwachen Lokalisierung in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte beobachtet werden. Dieses Verhalten konnte bei Graphen auf Siliziumdioxid nicht detektiert werden und die Ursache dieses bemerkenswerten Phänomens ist derzeit noch unklar.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 09:38
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