This thesis investigates how a one-dimensional superlattice potential reshapes the band structure and transport properties of graphene, and how the exact form of the potential determines the observed phenomena. The study addresses anisotropic transport, the emergence of additional Dirac points, commensurability oscillations, and the quantum Hall effect, with a particular focus on differences ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis investigates how a one-dimensional superlattice potential reshapes the band structure and transport properties of graphene, and how the exact form of the potential determines the observed phenomena. The study addresses anisotropic transport, the emergence of additional Dirac points, commensurability oscillations, and the quantum Hall effect, with a particular focus on differences between monolayer and bilayer graphene.
Monolayer and bilayer graphene devices with patterned bottom gates creating superlattice periods of 50 nm were fabricated. This gate-tunable approach allows independent control of modulation strength and Fermi level. High-quality monolayer graphene devices exhibit clear signatures of anisotropic transport, satellite Dirac points, and supercollimation in zero magnetic field, providing direct evidence of band structure engineering by the superlattice potential. Electrostatic simulations support the experimental findings and reveal the decisive role of the potential shape and its asymmetry, which manifests as pronounced electron–hole asymmetry due to the misaligned generation of zero modes.
In magnetotransport, robust Weiss oscillations are observed in all modulated monolayer graphene samples. The oscillations show a clear periodicity in inverse magnetic field and persist up to elevated temperatures, consistent with their classical origin. The one-dimensional superlattice also strongly affects the quantum Hall effect. While higher degeneracies predicted for ideal potentials are absent due to the asymmetry of realistic potential profiles, pronounced electron–hole asymmetries and distinct features in the longitudinal and Hall resistances are observed, in good agreement with simulations.
Bilayer graphene superlattices exhibit an even richer response to modulation. Nominally identical devices show qualitatively different behaviour due to the interplay of the superlattice potential and an intrinsic band gap, which is locally closed and reopened by the modulation. Magnetotransport measurements reveal pronounced Weiss oscillations and modified quantum Hall plateaus, highlighting the enhanced tunability of bilayer graphene.
Overall, this work demonstrates that the shape and asymmetry of one-dimensional superlattice potentials are decisive for the resulting band structure and transport properties in graphene. Together with the additional tunability of bilayer graphene, these findings establish superlattices as a versatile platform for band structure engineering in two-dimensional materials.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Dissertation untersucht, wie ein eindimensionales Supergitterpotenzial die Bandstruktur und die Transporteigenschaften von Graphen verändert und welche Rolle die genaue Form des Potenzials für die beobachteten Phänomene spielt. Im Fokus stehen anisotroper Transport, die Entstehung zusätzlicher Dirac-Punkte, Kommensurabilitätsoszillationen sowie der Quanten-Hall-Effekt, mit besonderem ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Dissertation untersucht, wie ein eindimensionales Supergitterpotenzial die Bandstruktur und die Transporteigenschaften von Graphen verändert und welche Rolle die genaue Form des Potenzials für die beobachteten Phänomene spielt. Im Fokus stehen anisotroper Transport, die Entstehung zusätzlicher Dirac-Punkte, Kommensurabilitätsoszillationen sowie der Quanten-Hall-Effekt, mit besonderem Augenmerk auf die Unterschiede zwischen monolagigem und bilagigem Graphen.
Es wurden Bauelemente aus mono- und bilagigem Graphen mit strukturierten Bottom-Gates gefertigt, die Supergitterperioden von 50 nm erzeugen. Dieser gate-tunable Ansatz erlaubt eine unabhängige Kontrolle der Modulationsstärke und des Fermieniveaus. Hochqualitative Monolagenproben zeigen klare Signaturen anisotropen Transports, satellitenartiger Dirac-Punkte sowie Superkollimation bei Nullmagnetfeld und liefern damit einen direkten experimentellen Nachweis gezielter Bandstrukturmanipulation durch das Supergitterpotenzial. Elektrostatische Simulationen stützen die experimentellen Ergebnisse und zeigen die entscheidende Bedeutung der Potenzialform und ihrer Asymmetrie, die sich aufgrund der fehlangepassten Erzeugung von Zero-Modes als ausgeprägte Elektron–Loch-Asymmetrie manifestiert.
Im Magnetotransport werden in allen modulier¬ten Monolagenproben robuste Weiss-Oszillationen beobachtet. Diese weisen eine klare Periodizität in inverser Magnetfeldstärke auf und bleiben bis zu erhöhten Temperaturen nachweisbar, was mit ihrem klassischen Ursprung konsistent ist. Das eindimensionale Supergitter beeinflusst auch den Quanten-Hall-Effekt deutlich. Während für ideale Potenziale vorhergesagte höhere Entartungen aufgrund der Asymmetrie realistischer Potenzialprofile ausbleiben, werden ausgeprägte Elektron–Loch-Asymmetrien sowie charakteristische Strukturen im longitudinalen und Hall-Widerstand beobachtet, die in guter Übereinstimmung mit Simulationen stehen.
Supergitter in bilagigem Graphen zeigen eine noch reichhaltigere und sensitivere Reaktion auf die Modulation. Nominal identische Bauelemente weisen qualitativ unterschiedliche Verhaltensweisen auf, die durch das Zusammenspiel des Supergitterpotenzials mit einer intrinsischen Bandlücke erklärt werden können, welche durch die Modulation lokal geschlossen und wieder geöffnet wird. Magnetotransportmessungen zeigen ausgeprägte Weiss-Oszillationen und modifizierte Quanten-Hall-Plateaus und unterstreichen die erhöhte Tunbarkeit von bilagigem Graphen.
Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die Form und Asymmetrie eindimensionaler Supergitterpotenziale entscheidend für die resultierende Bandstruktur und die Transporteigenschaften von Graphen sind. Zusammen mit der zusätzlichen Tunbarkeit von bilagigem Graphen etablieren diese Ergebnisse Supergitter als eine vielseitige Plattform zur gezielten Bandstrukturmanipulation in zweidimensionalen Materialien
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