Transporte eletrônico por estados topológicos em grafeno bicamada dobrado: uma plataforma para a valetrônica
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Joaquim Bonfim Santos Mendes
Ado Jorio de Vasconcelos
Gerson Ferreira Júnior
Ângelo Malachias de Souza
Ado Jorio de Vasconcelos
Gerson Ferreira Júnior
Ângelo Malachias de Souza
Resumo
A valetrônica é uma nova área da eletrônica que baseia-se no controle e manipulação do
número quântico de vale, um grau de liberdade similar ao spin. Assim como em spintrônica,
pretende-se criar dispositivos mais rápidos, mais eficientes e com menos consumo energético.
O desenvolvimento da valetrônica necessita de um transporte eletrônico de longo alcance
no qual o índice de vale seja preservado. Uma estrutura promissora para essa finalidade é
um canal topológico unidimensional (1D) formado num grafeno bicamada, chamado de
domain wall (DW). Nesses canais 1D, o índice de vale define a direção de propagação dos
portadores de carga e os estados de borda chirais (kink states) são robustos a diversos tipos
de desordem. Contudo, a fabricação de um DW é desafiadora. Isso requer a fabricação
de dispositivos complexos que necessitam de contatos elétricos alinhados com precisão
nanométrica ou a produção de DW em grafeno depositado sobre substratos rugosos, que
limitam consideravelmente o livre caminho médio.
Nesse trabalho criamos um novo tipo de DW de alta qualidade ao longo da borda curvada
de um grafeno bicamada dobrado. Nessa nova estrutura, fabricamos dispositivos valetrônicos
e investigamos as propriedades do transporte de carga com medidas eletrônicas de dois
e quatro terminais. As medidas com dois terminais ao longo desse canal com espessura
nanométrica revelaram que a resistência é quantizada próxima da resistência quântica
R = h
4e2 em campos magnéticos nulos. Os experimentos com quatro terminais mostraram
um colapso da resistência longitudinal, consistente com a resistência de um canal
balístico. Também demonstramos o comportamento metálico dos estados 1D protegidos
topologicamente conduzindo medidas em função da temperatura. Finalmente, mostramos
que a transmissão balística dos estados protegidos de vale alcançam longos livres caminhos
médios. Nas demais bordas e na região em que o grafeno bicamada estava empilhado, isto
é, no bulk, medimos um comportamento de semicondutor com gap controlável através da
aplicação de campos elétricos transversais. Acreditamos que essa nova plataforma possibilitará
estudos dos comportamentos de líquidos de Luttinger e levará ao desenvolvimento
de dispositivos baseados em linhas quânticas não dissipativas e válvulas de vale.
Abstract
Valetronics is an emergent field on electronics that manipulates the valley number, a degree
of freedom similar to the electron spin, to develop faster and more efficient devices with
low power consumption. The development of valleytronics demands long-range electronic
transport with preserved valley index. A promising structure to this end is a topological
one-dimensional (1D) channel formed in bilayer graphene (BLG) called domain wall (DW).
In these 1D channels, the valley-index defines the propagation direction of the charge
carriers and the chiral edge states (kink states) are robust over many kinds of disorder.
However, the fabrication of DWs is challenging, requiring the design of complex multi-gate
structures with nanometer alignment or have been producing on rough substrates, showing
a limited mean free path.
In our work, we create a new structure to form a high-quality domain walls. Such structure
is formed along the curved boundary of a folded bilayer graphene. Our investigation
of the ballistic transport at such nano-width channel with two terminal measurements
reveal the resistance quantization by the quantum value of R = h
4e2 at zero-magnetic
fields. The four probe experiments show a collapse of the longitudinal resistance, the
expected resistance of a ballistic channel. We also demonstrate the metallic behavior of the
topologically protected one dimensional states by performing measurements as function
of the temperature and we showed that the ballistic transmission of valley protected
states was achieved for long mean-free paths. At the bulk, we measure an semiconducting
behavior with tunable bandgap. We envision that such new valleytronic platform could
either be exploited for studies of Luttinger liquids behaviors or for the development of
dissipationless electronic quantum wires and development of electronic valley valves.
Assunto
Grafeno, Nanotecnologia, Transporte eletrônico
Palavras-chave
Grafeno, Nanotecnologia, Transporte eletrônico
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