Array stamping of carbon nanotubes and quantum transport in low-dimensional carbon nanotube-TMDC devices

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-516307
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.51630

Bäuml, Christian

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Date of publication of this fulltext: 17 Mar 2022 12:06

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 March 2022
Referee:	Prof. Dr. Christoph Strunk
Date of exam:	2 March 2022
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Christoph Strunk
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Research groups and research centres:	Not selected
Keywords:	stamping, carbon nanotubes, niobium diselenide, phase slip
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	51630

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Abstract (English)

Abstract (English)

In the first part of this thesis, we present a new approach to the fabrication of devices based on carbon nanotubes (CNTs) in the low disorder regime. Our fabrication method consists of growing CNTs on a transparent quartz chip and stamping them on an array of tens of devices. The quartz chip and the recipient chip are designed in such a way that during the stamping process the CNTs do not touch any substrate and stays suspended on the electrodes of the recipient devices. The parallel transfer of tens of CNTs highly increases the average number of usable devices per chip. The resulting CNT-based devices are characterized via transport measurements at different temperatures down to the milli-Kelvin regime. The separation of growth chip from the measurement chip allows one to freely choose the material for the electrodes, opening the way for the implementation of CNT-based devices with superconducting or ferromagnetic leads.
It was suggested recently that Majorana Fermions should emerge in CNTs contacted with a thin superconductor which retains its superconducting gap in presence of large in-plane field. We demonstrate an all-dry technique for contacting CNTs with few-layer-thick flakes of niobium diselenide (NbSe2) as superconducting layered material of the family of the transition metal dichalcogenides. The choice of NbSe2 is motivated by its large critical in-plane magnetic field. We show that the NbSe2-to-CNT contact resistance is comparable to that observed for other methods. We discuss the temperature and magnetic field dependence of the quantum transport in our devices. Furthermore, we could observe long-range superconducting correlations in a few micrometer-long CNT which is encapsulated in stack of NbSe2 and hexagonal boron nitride. We show that a substantial supercurrent flows through the nanotube section underneath the NbSe2 crystal and through a two-micrometer long portion which is not in contact with it. As predicted for superconductors with a cross section in the nanometer range, the current-triggered collapse of superconductivity is mediated by resistance steps due phase slip center nucleation.
The Ising superconductor NbSe2 is the ideal playground to examine the emergence of phase slip events. The exact nucleation position of phase slip lines in plain NbSe2 films is hard to predict and crucially depends on the individual sample. By patterning a one-dimensional constriction in NbSe2, the free energy barrier, which must be overcome to create a normal conducting region inside the superconducting 1D channel, will be sufficiently small. We demonstrate that as such fabricated nanowires still show superconducting features and that we can relate their origins to phase slip centers and lines.

Translation of the abstract (German)

Im ersten Teil dieser Arbeit stellen wir einen neuen Ansatz für die Herstellung von Proben auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) mit wenigen Störstellen vor. Unsere Herstellungsmethode besteht darin, CNTs auf einem transparenten Quarzchip zu wachsen und sie auf ein Array von Dutzenden von vorgefertigten metallischen Kontakten zu stempeln. Der Quarzchip und der Elektrodenchip sind so geformt, dass die CNTs während des Stempelprozesses das Substrat nicht berühren und an den Elektroden des Elektrodenchips hängen bleiben. Durch die parallele Übertragung von Dutzenden von CNTs wird die durchschnittliche Anzahl der nutzbaren Proben pro Chip stark erhöht. Die resultierenden CNT-basierten Proben werden durch Transportmessungen bei verschiedenen Temperaturen bis in den Milli-Kelvin-Bereich charakterisiert. Durch die Trennung des Wachstumschips vom Messchip kann das Material für die Elektroden frei gewählt werden, was den Weg für die Realisierung von CNT-basierten Proben mit supraleitenden oder ferromagnetischen Kontakten eröffnet.
Kürzlich wurde darüber berichtet, dass Majorana-Fermionen in CNTs auftreten sollten, die mit einem dünnen Supraleiter kontaktiert sind, der seine supraleitenden Eigenschaften in Gegenwart eines starken parallelen magnetischen Feldes beibehält. Wir demonstrieren eine vollkommen trockene Technik zur Kontaktierung von CNTs mit wenigen Schichten dicken Flocken aus Niobdiselenid (NbSe2) als supraleitendem Schichtmaterial aus der Familie der Übergangsmetalldichalcogenide. Die Wahl von NbSe2 ist durch sein großes kritisches paralleles Magnetfeld motiviert. Wir zeigen, dass der Kontaktwiderstand zwischen NbSe2 und CNT vergleichbar ist mit dem, der bei anderen Fabrikationsmethoden beobachtet wird. Wir diskutieren die Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeit des Quantentransports in unseren Proben. Darüber hinaus konnten wir weitreichende supraleitende Korrelationen in einer wenige Mikrometer langen CNT beobachten, die in einem Stapel aus NbSe2 und hexagonalem Bornitrid eingekapselt ist. Wir zeigen, dass ein beträchtlicher Suprastrom durch den Nanoröhrenabschnitt unterhalb des NbSe2-Kristalls und durch einen zwei Mikrometer langen Abschnitt fließt, der nicht in Kontakt mit diesem steht. Wie für Supraleiter mit einem Querschnitt im Nanometerbereich vorhergesagt, wird der durch den Strom ausgelöste Zusammenbruch der Supraleitung durch Widerstandsstufen aufgrund der Bildung von Phasenschlupfzentren und -linien vermittelt.
Der Ising-Supraleiter NbSe2 ist die ideale Plattform, um die Entstehung von Phasenschlupfereignissen zu untersuchen. Die genaue Position der Bildung von Phasenschlupflinien in NbSe2-Filmen ist schwer vorherzusagen und hängt entscheidend von der jeweiligen Probe ab. Durch die Strukturierung einer eindimensionalen Verengung in NbSe2 wird die Freie-Energie-Barriere, die überwunden werden muss, um einen normalleitenden Bereich innerhalb des supraleitenden eindimensionalen Kanals zu schaffen, ausreichend klein. Wir zeigen, dass die so hergestellten Nanodrähte immer noch supraleitende Eigenschaften aufweisen und dass wir ihren Ursprung mit Phasenschlupfzentren und -linien in Verbindung bringen können.

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