Fabrication and characterization of graphene nanodevices

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FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF GRAPHENE NANODEVICES Cayetano SánchezFabrés Cobaleda

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Presentation given at University of Salamanca in fulfilment for the degree of Doctor of Philosophy

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Page 1: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

FABRICATION  AND  CHARACTERIZATION  OF  GRAPHENE  

NANODEVICES  

Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

Page 2: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Outline  

•  IntroducFon  •  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  graphene  •  WL-­‐WAL  in  graphene  •  PPT  in  h-­‐BN/graphene/h-­‐BN  •  SuperconducFvity  in  3D  porous  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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QHE  in  graphene:    number  of  layer  maXers  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Integer  Quantum  Hall  effect  

•  QuanFzaFon   in   Landau  levels:  Rxy=h/νe2  

•  Standard  2DEGs:  ν = ng    •  Graphene:  ν = g(n+1/2)    

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Quantum  phase  transiFons  

•  LocalizaFon-­‐delocalizaFon  transiFons  •  CriFcality  of  the  transiFon  

•  Ec:  criFcal  energy  and  ξ  localizaFon  length  •  γ:  criFcal  exponent  of  the  transiFon

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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ξ ∝ E −Ec−γ

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Experiment<-­‐>Theory  

•  p:  coherence  length  dependence  on  T    

•  γ  yields  informaFon  on  the  kind  of  disorder  •  Need  of  extremely  high  quality  samples  – Low  n,  high  µ  and  high  homogeneity  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

6  

∂ρxy

∂B"

#$

%

&'max

∝T −κ

κ = p / 2γ

lφ ∝T− p/2

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FABRICATION  OF  GRAPHENE  NANODEVICES  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Graphene  producFon  

•  Mechanical  exfolia-on:  scotch-­‐tape  technique  

•  CVD  grown  graphene  

•  Epitaxial  graphene  

•  Reduced  graphene  oxide  

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Mechanical  cleavage  •  Ingredientes:  Natural  graphite  and  scotch  tape  •  Layer  by  layer  exfoliaFon  •  DeposiFon  onto  the  wafer  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Mechanical  cleavage  •  IdenFficaFon  using  the  opFcal  microscope  

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50  um   25  um  

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Processing:  e-­‐beam  lithography  

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11  

15  um  

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Processing:  e-­‐beam  lithography  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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50  um  15  um  

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EvaporaFon  of  contacts    

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50  um   15  um  

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Processing:  ReacFve  ion  etching  

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25  um   15  um  

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Sample  monFng  and  bonding  

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Our  LAB  3He  Heliox  cryostat  

 (2008)  0.285  K  <  T  <  300  K  

3He/4He  dilu-on  cryostat  (2011)  

0.01  K  <  T  <  30  K  RuO2  therm.  closer  to  the  sample  CalibraFon:    nuclear  thermometer  

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SC  magnet    (2008)  

B  =  12  T  Bore  diameter  55  mm  

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Sample  rod  

•  Thermally  linked  to  the  cryostat  •  Sample  cooled  down  via  the  wires  •  Home  made  and  designed  holders  

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Quantum  Hall  effect  in  graphene  

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QHE  in  bilayer  graphene  

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1 2 3 4 5

2800

3000

3200

3400

3600

3800

µ (

cm2/V

s)

n (1012 cm-2)

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QHE  in  trilayer  graphene  

•  ObservaFon   of   the  ν=6  plateau  

•  Study  of   the  QHE  as  a  funcFon  of  T  

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C.  Cobaleda  et  al.  Physica  E  44  530-­‐533  (2011)  C.  Cobaleda  et  al.  Phys.  Status  Solidi  C  9  1411-­‐1414  (2012)  

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Weak  localizaFon  weak  anFlocalizaFon  

•  Electrons  counter  propagaFng  in  closed  paths  –  Phase  conserved  –  Time  reversal  symmetry  conserved  •  Broken  if  B  is  applied  

•  Back  scaXering  enhanced  –  WL:  Maximum  of  ρ  at  B=0  

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Page 22: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Weak  localizaFon  weak  anFlocalizaFon  

•  Electrons  counter  propagaFng  in  closed  paths  –  Phase  conserved  –  Time  reversal  symmetry  conserved  •  Broken  if  B  is  applied  

•  Back  scaXering  enhanced  –  WL:  Maximum  of  ρ  at  B=0  

•  Carriers  in  graphene  are  chiral  –  Back  scaXering  forbidden!  

•  WAL:  Minimum  of  ρ  at  B=0  –  Chirality  at  low  energies  

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WAL-­‐WL  transiFon  

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-0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

T=0.3K T=1.6K T=3K T=6K T=10K T=15K

σ(B

) - σ

(0) (

e2 /h)

B(T)

0.3 K

15 K

-0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.080.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

σ(B

) - σ

(0) (

e2 /h)

B (T)

T=0.3 K T=1.6 K T=2.6 K T=6 K T=10 K T=15 K0.3 K

15 K

Vg  =  0  V   Vg  =  -­‐10  V  

S.  Pezzini,  C.  Cobaleda  et  al.  Physical  Review  B  85  165451  (2012)    

Page 24: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

h-­‐BN/bilayer  graphene/h-­‐BN  heterostructure  

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Dirac  peak  vs  Temperature  

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Page 26: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Dirac  peak  vs  Temperature  

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nc  nc  

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Transport  regimes  

•  n  <  nc  – T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

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Page 28: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Transport  regimes  

•  n  <  nc  – T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

– 10  K  <  T  <  50  K  •  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

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Page 29: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Transport  regimes  

•  n  <  nc  – T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

– 10  K  <  T  <  50  K  •  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

•  n  >  nc  – T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Page 30: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Transport  regimes  

•  n  <  nc  –  T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  –  10  K  <  T  <  50  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  

•  n  >  nc  –  T  <  10  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T<0  –  10  K  <  T  <  50  K  

•  ∂ ρxx/ ∂ T>0  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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All  together...  

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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C.  Cobaleda  et  al.  Phys.  Rev  B  89  121404R  (2014)  

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Magnetotransport  characterizaFon  •  Vd~0.5  V  •  n~1011  cm-­‐2  

•  µ~40000  cm2/Vs

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graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

32  

Page 33: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Quantum  phase  transiFons  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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Page 34: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Measurements  

•  n=10.2·∙1011cm-­‐2  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

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34  

ν=12

ν=16

ν=8

Page 35: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Measurements  

•  n=10.2·∙1011cm-­‐2  •  12-­‐>8  •  16-­‐>12  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

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35  

ν=12

ν=16

ν=8

Page 36: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Measurements  

•  n=10.2·∙1011cm-­‐2  •  12-­‐>8  •  16-­‐>12  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

36  

ν=12

ν=16

ν=8

∂ρxy

∂B"

#$

%

&'max

∝T −κ

Page 37: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Measurements  

•  n=10.2·∙1011cm-­‐2  •  12-­‐>8  •  16-­‐>12  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

37  

ν=12

ν=16

ν=8

∂ρxy

∂B"

#$

%

&'max

∝T −κ

κ ≈ 0.3

Page 38: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Measurements  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

38  

κ ≈ 0.3

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Universality  of  the  transiFon  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

39  

n  =  14.6×1011  cm-­‐2     n  =  10.2×1011  cm-­‐2     n  =  6.07×1011  cm-­‐2    

Page 40: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Universality  of  the  transiFon  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

40  

n  =  14.6×1011  cm-­‐2     n  =  10.2×1011  cm-­‐2     n  =  6.07×1011  cm-­‐2    

n  =  (-­‐)4.74×1011  cm-­‐2     n  =  (-­‐)6.84×1011  cm-­‐2     n  =  (-­‐)9.03×1011  cm-­‐2    

Page 41: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

n-­‐independent  κ  

•  SaturaFon  for  T<5  K  

 

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

41  

κ = 0.30± 0.02

Page 42: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Effect  of  disorder  

•  γ = p/2κ

   

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

42  

Short  range  disorder  (Anderson  model)  

Long  range  disorder  (Classic  percolaFon)  

Our  data  

κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3  

If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   If  p=2;  γ=3.3  

Page 43: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Effect  of  disorder  

•  γ = p/2κ •  What  if  p≠2?  •  Next  goal:  measure  p  and  γ independently

   18/06/14  

FabricaFon  and  characterizaFon  of  graphene  nanodevices                                                                                                  

Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  43  

Short  range  disorder  (Anderson  model)  

Long  range  disorder  (Classic  percolaFon)  

Our  data  

κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3  

If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   If  p=2;  γ=3.3  

Page 44: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

LocalizaFon  length:  γ  

•  Tails  of  the  LL:  VRH    •  CriFcal  transiFon:    

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

44  

σ xx ∝ exp − T0 /T( )

T0 ∝ξ−1

γνν

ξ−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −∝

4c

Page 45: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Coherence  length:  p  

•  Phase  coherence  preservaFon  depends  on  T  •  WL  as  funcFon  of  T  •  Measurement  of  lϕ  as  funcFon  of  T  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

45  

lϕ ∝T− p/2

Page 46: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

WL  in  bilayer  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

46  

-10 0 10

0.0

0.1

0.2

0.3

15 K

∆σ

xx (e

2 /h)

B (mT)

0.3 K

0.1 1 100.1

1

10

bestFIT

L φ (µ

m)

T (K)

p  =  0.9  

Page 47: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Classical  percolaFon

•  Measurements  of  κ,  γ and  p  are  compaFble

•  Both  methods  are  compaFble  with  a  PPT  driven  by  classical  percolaFon*  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

47  

*  C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  Phys.  Rev.  LeX  

Short  range  disorder  (Anderson  model)  

Long  range  disorder  (Classic  percolaFon)  

Our  data  

κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3  

If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   p  =0.9;  γ=1.4±0.1  

γ=1.3±0.3  

Page 48: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Classical  percolaFon

•  Measurements  of  κ,  γ and  p  are  compaFble

•  Both  methods  are  compaFble  with  a  PPT  driven  by  classical  percolaFon*  

•  CompaFble  with  STM  observaFons  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

48  

*  C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  Phys.  Rev.  LeX  

Short  range  disorder  (Anderson  model)  

Long  range  disorder  (Classic  percolaFon)  

Our  data  

κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3  

If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   p  =0.9;  γ=1.4±0.1  

γ=1.3±0.3  

Page 49: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

SuperconducFvity  in    3D  porous  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

49  

Page 50: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

The  samples  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

50  

3D  porous  carbon  

3D  porous  carbon+Ta   3D  porous  graphene+Ta  

3D  porous  graphene  

Page 51: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

3D  graphene  vs  3D  carbon  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

51  

H2c =φ0

2πξ (0)21− T

T0

"

#$

%

&'

Page 52: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

SuperconducFng  properFes  of  Ta  

3D  graphene  •  Bc  =  2  T  •  Tc    =  1.2  K  •  ξ(0)  =  14  nm •  vF  =  1.2·∙104  m/s  

 

3D  carbon  •  Bc  =  2.3  T  •  Tc    =  0.96  K  •  ξ(0)  =  11  nm  •  vF  =  0.8·∙104  m/s    

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

52  

C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  App.  Phys.  LeX  

Page 53: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

SuperconducFng  properFes  of  Ta  

3D  graphene  (sp2  bonds)  •  Bc  =  2  T  •  Tc    =  1.2  K  •  ξ(0)  =  14  nm •  vF  =  1.2·∙104  m/s  

 

3D  carbon    (sp3  bonds)  •  Bc  =  2.3  T  •  Tc    =  0.96  K  •  ξ(0)  =  11  nm  •  vF  =  0.8·∙104  m/s    

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

53  

Stronger  hybridizaFon  between  e-­‐  in  Ta  and  3DG  than  between  Ta  and  3DC                              

C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  App.  Phys.  LeX  

Page 54: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

54  

Page 55: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

55  

Page 56: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  inhomogeneous  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

56  

Page 57: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  inhomogeneous  graphene  •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

57  

Page 58: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  inhomogeneous  graphene  •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene  •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

58  

Page 59: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  inhomogeneous  graphene  •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene  •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN  •  First   observaFon   of   a   QPT   fully   driven   by   a  classical  percolaFon  regime in  graphene  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

59  

Page 60: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Conclusions  

•  FabricaFon  of  graphene  devices  •  QHE  in  inhomogeneous  graphene  •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene  •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN  •  First   observaFon   of   a   QPT   fully   driven   by   a  classical  percolaFon  regime in  graphene  

•  Study   of   charge   transfer   effects   between  tantalum  and  3D  graphene  and  carbon  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

60  

Page 61: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Agradecimientos  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

61  

Dr.  Enrique  Diez  Dr.  Yahya  Meziani  

Dr.  ViXorio  Bellani  Dr.  Francesco  Rossella  Sergio  Pezzini  

David  López-­‐Romero  Maika  Sabido  Alicia  Fraile  

Dr.  Wei  Pan  Dr.  Duncan  Maude  Dr.  Walter  Escoffier  Dr.  Benjamin  Piot  Fabrice  Iacovella  

Page 62: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Electronic  instrumentaFon  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

62  

V~1V  f~15  Hz  

100  MΩ  ~10  nA  

SR  Lock-­‐in  amplifier  830  and  Keithley  Sourcemeter  2601  A  

Vg  

Page 63: Fabrication and characterization of graphene nanodevices

Future  perspecFves  

•  Novel  routes  towards  effecFve  ambipolar  FETs  – Non  perpendicular  top  gates  – MoS2,  InSb,  etc  – van  der  Waals  structures  

•  QHE  in  4  layered  graphene  •  Study  the  QPT  in  suspended  graphene  •  CharacterisaFon  of  QPT  in  TLG  and  4LG  

18/06/14  FabricaFon  and  characterizaFon  of  

graphene  nanodevices                                                                                                  Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  

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