Zjawiska relatywistycznego transportu ładunku i energii w nanostrukturach grafenowych

Bibliogr. s. 61-65

Dyssertacja jest skoncentrowana na kwantowych cechach przewodnictwa w ballistycznych układach grafenu i dwuwarstwy grafenowej. Do analizy przewodnictwa wykorzystano formalizm Landauera-Büttikera. Cele niniejszej pracy dzielą się na dwie ogólne grupy. Pierwsza grupa koncentruje się na analizie własności monowarstwy i dwuwarstwy grafenowej. Druga natomiast rozważa własności konkretnych układów wykonanych z grafenu. Wybór układów jest podyktowany interesującą fizyką, realizowalnością oraz możliwymi, przyszłymi zastosowaniami. Pierwsza cześć pracy zadaje trzy główne pytania. Po pierwsze, Jak wiarygodnie zmierzyć wartość tunelowania skośnego w dwuwarstwie? pytanie to jest analizowane w świetle własności termoelektrycznych dwuwarstwy grafenowej. Dwie dostępne eksperymentalnie procedury są zaproponowane. Pierwsza wymaga pomiaru koncentracji nośników ładunku odpowiadającej pobocznemu maksimum współczynnika Seebecka, podczas gdy druga wymaga pomiaru temperatury odpowiadającej najwyższej wartości współczynnika Seebecka w przestrzeni parametrów domieszkowanie - temperatura. Drugie pytanie Jak obecność przerwy energetycznej wpływa na własności termoelektryczne? jest analizowane dla dwóch rożnych geometrii układu. Tradycyjnej geometrii złącze-próbka-złącze oraz geometrii z gwałtownym skokiem potencjału, która umożliwia analizę kluczowych własności dwuwarstwy w sytuacji uproszczonej. Analizowane własności termoelektryczne okazują się być w dominującym stopniu zdeterminowane przez obecność przerwy energetycznej. Szczególny nacisk jest położony na analizę współczynnika wydajności (ZT). Trzecie pytanie Jaka jest przewodność dużego fragmentu dwuwarstwy grafenowej? dotyczy kwestii wpływu niewiodących wyrazów Hamiltonianu na przewodnictwo dużych układów niedomieszkowanej dwuwarstwy grafenowej. Trzy istotnie rożne zachowania przewodnictwa (rozbieżne, stabilizujące się oraz zanikające) zostały zaobserwowane przy wzroście długości układu w zależności od obecności/braku poszczególnych wyrazów. Analiza uwzględnia również efekty skończonej temperatury oraz porównanie z wynikami eksperymentalnymi. Druga część pracy również naturalnie dzieli się na trzy części. Pierwsza koncentruje się na możliwości obserwacji efektu Aharonova-Bohma bez tradycyjnej geometrii dwuszczelinowej w dysku Corbino wykonanym z grafenu. Okazuje się, ze strumień pola magnetycznego przechodzący przez centralna elektrodę wpływa na pseudodyfuzyjny transfer ładunku w stropniu umożliwiającym eksperymentalna obserwacje. Trwałość efektu jest analizowana ze względu zmienne domieszkowanie i złamanie symetrii obrotowej układu. Drugi z rozważanych systemów jest propozycja konstrukcji mezoskopowego filtra dolinowego - pierwszego z urządzeń postulowanych w ramach dolinotroniki, będącej wersja elektroniki wykorzystujaca mozliwosc dolinowego polaryzowania prądu w grafenie. Jako ze proponowany układ nie wymaga przygotowania z precyzja sięgająca pojedynczych atomów, ani wykorzystania pochodzących z naprężeń pól pseudomagnetycznych, mamy nadzieje, ze pozwoli on na realistyczna eksperymentalnie konstrukcje pierwszego filtru dolinowego - kamienia milowego rozwoju dolinotroniki. Ostatni z rozważanych systemów składa się ze ściśniętego paska grafenu połączonego z generatorem mechanicznych kinków. Taki układ był niedawno analizowany przez innych autorów ze względu na możliwość kontroli ruchu solitonów (kinków) poprzez delikatne potrząsanie jednym z końców paska. Mechanizm kontroli wykorzystuje niecodzienne zjawisko ujemnego ciśnienia promieniowania. Nasze pytanie Czy ściśnięty pasek grafenowy może posłużyć jako pompa elektronowa? jest analizowane w ramach modelu SSH (Su-Schrieffer-Heeger). Dość nieoczekiwanie wyniki wskazują na możliwość wykorzystania takiego układu jako wzorca ampera.

This thesis is concentrated on quantum transport properties of mono- and bilayer graphene systems in ballistic regime. The Landauer-Büttiker formalism is utilised to analyse transport properties of ultraclean samples. The aims of this work are twofold. The first one is concerned in analysing the properties of graphene itself, both monoand bilayer. The second one is concentrated on novel electronic devices that might be constructed thanks to extraordinary properties of graphene. The particular systems are chosen weighting the theoretical interest, experimental feasibility and possible future applications. The first part addresses three main questions. The first one How one may reliably measure the trigonal warping strength in bilayer graphene? is replied with vast analysis of thermoelectric properties of bilayer graphene. Two experimentally accessible ways has been proposed. The first one requires measurement of carrier concentration corresponding to the secondary maximum of the Seebeck coefficient, while the other requires measurement of temperature at which the Seebeck coefficient reaches its global maximum on the doping - temperature plane. The second question: How appearance of a bandgap will modify the thermoelectric properties? is followed by analysis of two system geometries. The traditional leadsample-lead geometry and the sharp potential step geometry allowing to pinpoint the crucial properties of the system in idealised case. The thermoelectric properties occur to be defined dominantly by the presence of the bandgap. The special attention is put to unusual behaviour of figure of merit (ZT). The third question: What is a conductivity of large piece of bilayer graphene? considers the impact of non-leading terms in effective bilayer graphene Hamiltonian on the conductance of the large system at zero doping. The three different behaviours of conductivity (diverging, levelling off or decaying) with growing system length are recognized and interpreted. The analysis includes the finite temperature effects and comparison with available experimental results. The second part is also naturally divided into three parts. The first one concentrates on possibility of pinpointing the Aharonov-Bohm effect without two slit setup in the Corbino disk made out of graphene. It occurred that pseudodiffusive transport in bilayer graphene is affected by magnetic flux piercing the central electrode and sufficiently strong to allow its experimental measurement. The robustness of the effect is analysed in terms of non-zero doping and breaking of rotational symmetry of the system. The second system is a proposition of a mesoscopic valley filter - the first device in valleytronics being the modification of electronics that takes advantage of valley polarised currents in graphene. As proposition does not require use of experimentally problematic single atom precise sample forming or application of strain-induced pseudomagnetic fields, we believe it allows experimental construction of the first valley filter - a milestone in development of valleytronics. The last system consists of buckled nanoribbon with mechanical kink generator. Such a system has been analysed before, by other authors, and proved to be controllable via gentle shaking of one of its ends, taking advantage of unusual negative radiation pressure effect. Our central question: Does buckled graphene nanoribbon might be used as an electric pump? is addressed and analysed in terms of SSH model. The surprising result show it should be possible not only to construct such a pump, but also to use it as a standard current device (ampere prototype).