Magneto Raman studies of multilayer graphene and graphene boron nitride heterostructures
Grenoble-Alpes THÈSE Pour obtenir le grade de Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement Études magnéto-Raman de systèmes – graphène multicouches et hétèrostructures de graphene- nitrure de bore
Résumé
As the fourth most abundant element in the universe, Carbon plays an important role in the emerging of life in earth as we know it today. The industrial era has seen this element at the heart of technological applications due to the different ways in which carbon forms chemical bonds, giving rise to a series of allotropes each with extraordinary physical properties. For instance, the most thermodynamically stable allotrope of carbon, graphite crystal, is known to be a very good electrical conductor, while diamond very appreciated for its hardness and thermal conductivity is nevertheless considered as an electrical insulator due to different crystallographic structure compared to graphite. The advances in scientific research have shown that crystallographic considerations are not the only determining factor for such a variety in the physical properties of carbon based structures. Recent years have seen the emergence of new allotropes of carbon structures that are stable at ambient conditions but with reduced dimensionality, resulting in largely different properties compared to the three dimensional structures. These new classes of carbon allotropes are namely: carbon nanotubes (one dimensional), fullerene (zero dimensional), and the last discovered allotrope of carbon, also known as the first two-dimensional material: graphene.
The successful isolation of monolayers of graphene challenged a long established belief in the scientific community: the fact that purely 2D materials cannot exist at ambient conditions. The Landau-Peierls instability theorem states that purely 2D materials are very unstable due to increasing thermal fluctuations when the material in question extends in both dimensions. To minimize its energy, the material will break into coagulated islands, an effect known as island growth. Graphene happens to overcome such barrier by forming continuous ripples on the surface of its substrate and thus is stable even at room temperature and atmospheric pressure.
A great intention from the scientific community has been given to graphene, after the first published results on the electronic properties of this material. Both fundamental and mechanical properties of graphene are fascinating. Thanks to its carbon atoms that are packed in a sp$^{2}$ hybridized fashion, thus forming a hexagonal lattice structure, graphene has the largest young modulus and stretching power, yet it is hundreds of times stronger than steel. It conducts heat and electricity very efficiently, achieving an electron mobility as high as 10$^{7} $ cm$^{-2}$V$^{-1}$ s$^{-1}$ when suspended over the substrate.
The most fascinating aspect about graphene is the nature of its low energy charge carriers. Indeed, graphene has a linear energy dispersion at the charge neutrality, giving the charge carriers in graphene a relativistic nature. Many phenomena observed in this material are consequences of this relativistic nature of its carriers. Ballistic transport, universal optical conductivity, absence of backscattering, and a new class of room temperature quantum Hall effect are good examples of newly discovered phenomena in this material.
Graphene has become an active research area in condensed matter physics since 2004. It is however still early to state that all the physical properties of this material are well understood. In this thesis we conducted magneto-Raman spectroscopy experiments to address some of the open questions in the physics of graphene, such as the effect of electron-electron coupling on the energy spectrum of monolayer graphene, and the change in the physical properties of multilayer graphene as a function of the crystallographic stacking order. In all our experiments, the graphene-based systems have been subject to strong continuous magnetic fields, applied normal to the graphene layers. We study the evolution of its energy excitation spectra in the presence of the magnetic field, and also the coupling between these excitations and specific vibrational modes that are already in the system. This experimental approach allows us to deduce the band structure of the studied system in the absence of magnetic fields, as well as many other low energy properties.
Comme le quatrième élément le plus abondant dans l'univers, le carbone joue un rôle important dans l'émergence de la vie sur la terre comme nous la connaissons aujourd'hui. L'ère industrielle a vu cet élément au cœur des applications technologiques en raison des différentes façons dont les atomes forment les liaisons chimiques, ce qui donne lieu à une série d’allotropies chacun ayant des propriétés physiques extraordinaires. Par exemple, l’allotrope le plus thermodynamiquement stable du carbone, le cristal de graphite, est connu pour être un très bon conducteur électrique, tandis que le diamant, très apprécié pour sa dureté et sa conductivité thermique, est néanmoins considéré comme un isolant électrique en raison de sa structure cristallographique différente par rapport au graphite. Les progrès de la recherche scientifique ont montré que les considérations cristallographiques ne sont pas le seul facteur déterminant pour une telle variété dans les propriétés physiques des structures à base de carbone. Ces dernières années ont vu l'émergence de nouvelles formes allotropiques de structures de carbone qui sont stables dans les conditions ambiantes, mais avec dimensionnalité réduite, ce qui entraîne des propriétés largement différentes par rapport aux structures en trois dimensions. Ces nouvelles classes d'allotropes de carbone sont notamment : les nanotubes de carbone (à une dimension), fullerène (zéro dimension), et le dernier allotrope découvert du carbone, également connu comme étant le premier matériau à deux dimensions : le graphène.
L'isolation réussi de monocouches de graphène a contesté une croyance établie depuis longtemps dans la communauté scientifique : le fait que les matériaux purement 2D ne peuvent pas exister dans les conditions ambiantes. Le théorème d'instabilité de Landau-Peierls atteste que les matériaux purement 2D sont très instables en raison de l'augmentation des fluctuations thermiques lorsque le matériau en question se prolonge dans les deux dimensions. Afin de minimiser son énergie, le matériau se brisera en îlots coagulées, un effet connu comme la croissance des îlots. Le graphène arrive cependant à surmonter cette barrière en formant des ondulations continues sur la surface du substrat et est stable même à température ambiante et pression atmosphérique.
Une grande intention de la part de la communauté scientifique a été donnée au graphène, après les premiers résultats publiés sur les propriétés électroniques de ce matériau. Les propriétés fondamentales et mécaniques du graphène sont fascinants. Grace aux atomes de carbone qui sont emballés dans un mode sp $ ^ {2} $ hybridé, formant ainsi une structure de réseau hexagonal, le graphène possède le plus grand module de Young et la plus grande capacité d'étirement, en même temps des centaines de fois plus dur que l'acier. Il conduit la chaleur et l'électricité de manière très efficace, réalisant ainsi une mobilité électrique aussi élevé que 10 $ ^ {7} $ cm $ ^ {- 2} $ V $ ^ {- 1} $ ^ s $ {- 1} $ lorsque suspendu au-dessus du substrat.
L'aspect le plus fascinant à propos du graphène est surement la nature de ses porteurs de charge à basse énergie. En effet, le graphène présente une dispersion d'énergie linéaire au point de neutralité de charge, donnant aux porteurs de charge dans le graphène une nature relativiste. De nombreux phénomènes observés dans ce matériau sont des conséquences de cette nature relativiste de ses porteurs. Le transport balistique, la conductivité optique universelle, absence de rétrodiffusion, et une nouvelle classe d’effet Hall quantique à température ambiante sont de bons exemples de phénomènes nouvellement découverts dans ce matériau.
Le graphène est devenu un domaine de recherche actif en physique de la matière condensée depuis 2004. Il est cependant encore trop tôt pour affirmer que toutes les propriétés physiques de ce matériau sont bien comprises. Dans cette thèse, nous avons mené des expériences de spectroscopie magnéto-Raman pour répondre à certaines des questions ouvertes dans la physique du graphène, notamment l'effet de couplage électron-électron sur le spectre d'énergie du graphène monocouche, et le changement dans les propriétés physiques du graphène multicouche en fonction de l'ordre d'empilement cristallographique. Dans toutes nos expériences, les systèmes à base de graphène ont été soumis à de forts champs magnétiques continus, appliqués perpendiculairement aux couches de graphène. On étudie l'évolution de son spectre d'excitation d'énergie en présence du champ magnétique, ainsi que le couplage entre ces excitations et des modes vibratoires spécifiques. Cette approche expérimentale permet de déduire la structure de bande du système étudié, en l'absence de champs magnétiques, ainsi que de nombreuses autres propriétés à faible énergie.
Domaines
Physique [physics]
Loading...