An epigraphene platform for coherent 1D nanoelectronics

Exceptional edge state ballistic transport, first observed in graphene nanoribbons grown on the sidewalls of trenches etched in electronics grade silicon carbide even at room temperature, is shown here to manifest in micron scale epigraphene structures that are conventionally patterned on single crystal silicon carbide substrates. Electronic transport is dominated by a single electronic mode, in which electrons travel large distances without scattering, much like photons in an optical fiber. In addition, robust quantum coherence, non-local transport, and a ground state with half a conductance quantum are also observed. These properties are explained in terms of a ballistic edge state that is pinned at zero energy. The epigraphene platform allows interconnected nanostructures to be patterned, using standard microelectronics methods, to produce phase coherent 1D ballistic networks. This discovery is unique, providing the first feasible route to large scale quantum coherent graphene nanoelectronics, and a possible inroad towards quantum computing

Protected transport in the epigraphene edge state

The graphene edge state has long been predicted to be a zero energy, one-dimensional electronic waveguide mode that dominates transport in neutral graphene nanostructures, with potential application to graphene devices. However, its exceptional properties have been observed in only a few cases, each employing novel fabrication methods without a clear path to large-scale integration. We show here that interconnected edge-state networks can be produced using non-conventional facets of electronics grade silicon carbide wafers and scalable lithography, which cuts the epitaxial graphene and apparently fuses its edge atoms to the silicon carbide substrate. Measured epigraphene edge state (EGES) conduction is ballistic with mean free paths exceeding tens of microns, thousands of times greater than for the diffusive 2D bulk. It is essentially independent of temperature, decoupled from the bulk and substantially immune to disorder. Remarkably, EGES transport involves a non-degenerate conductance channel that is pinned at zero energy, yet it does not generate a Hall voltage, implying balanced electron and hole components. These properties, observed at all tested temperatures, magnetic fields, and charge densities, are not predicted by present theories, and point to a zero-energy spin one-half quasiparticle, composed of half an electron and a half a hole moving in opposite directions

Propriétés électroniques des systèmes quasi-unidimensionnels (C60@SWCNTs et nanofils d'InAs) étudiés par le transport électronique sous champ magnétique intense

The scope of this thesis is related to the electronic properties of quasi 1D systems probed by highfield magnetotransport. Two different systems exhibiting quasi-1D confinement have beenconsidered: carbon C60 peapods (C60@SWCNTs) and InAs semiconductor nanowires. Themagnetotransport measurements on single nano-objets have been used to investigate the specificelectronic structure of these 1D systems. In both cases, the high magnetic fields experimentshave been supported by structural characterisation and conductance measurements at zero field.The encapsulation of various molecules inside carbon nanotubes (CNTs), as for instance C60fullerenes encapsulated in SWCNT, constitutes promising routes towards the tunability of theCNT conductance. Among the wide variety of filled CNTs, peapods represent a pioneer hybridstructure discovered in 1998. Since that time, their electronic structure has been subjected tointense and controversial theoretical studies together with a limited number of experimentalrealizations. In this thesis the electronic properties of individual fullerene peapods have beeninvestigated by combining micro-Raman spectroscopy and magnetotransport measurements onthe same devices. We bring evidence that the encapsulated C60 strongly modify the electronicband structure of semiconducting nanotubes in the vicinity of the charge neutrality point,including a rigid shift and a partial filling of the energy gap. In addition by playing with aselective UV excitation of the fullerene, we demonstrate that the electronic coupling between theC60 and the CNT is strongly modified by the partial coalescence of the C60 and their distributioninside the tube. The experimental results are supported by numerical simulations of the Densityof States and the conductance of CNTs with coalesced fullerenes inside (K. Katin, M. Maslov).Semiconductor nanowires (sc-NWs) are being the subject of intense researches started a decadeago. They represent model systems for the exploration of the electronic properties inerrant to thequasi1-D confinement. Moreover they offer the possibility to play with band structure tailoringand carrier doping. In this direction III-V sc-NWs such as InAs NWs have played a particularrole due to the small electron effective mass. We have studied the high magnetic fieldconductance of single nanowires. Prior to the high field measurements, the zero and low fieldinvestigations have demonstrated a weakly diffusive regime of the carrier transport in thesewires. The high field investigations have revealed a drastic conductance drop above a criticalfield, which clearly rises with the Fermi energy. This effect is interpreted by the loss ofconducting channels once all the magneto-electric subbands, shifted toward the high energyrange by the magnetic field, have crossed the Fermi energy. Preliminary band structurecalculations (Y-M. Niquet), taking into account the lateral and magnetic confinements, are infairly good qualitative agreement with the observed result in the high field regime. This result isthe first observation of band structure effects in magneto-transport experiments on sc-NWs.Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes quasi-unidimensionnels (quasi-1D) sous champ magnétique intense. Deux systèmes différents présentant un confinement électrique quasi-1D ont été considérés: les peapods de carbone (C60@SWCNTs) et les nanofils d'InAs. L’objectif de ces travaux consiste à sonder les propriétés électroniques spécifiques de ces systèmes quasi-1D par les mesures de magnétotransport sur les nano-objets uniques. Dans les deux cas, les expériences sous champs magnétiques intenses ont été accompagnée par des caractérisations structurales et des mesures de conductance à champ magnétique nul.L'encapsulation de diverses molécules à l'intérieur de nanotubes de carbone (CNTs), comme par exemple les fullerènes C60, constitue une des voies prometteuses vers l'accordabilité de la conductance des CNTs. Parmi la grande variété des nanotubes de carbone remplis, les peapods représentent une structure hybride pionnière découvert en 1998. Depuis lors, leur structure électronique a fait l’objet d’études théoriques controversées avec un nombre limité de réalisations expérimentales. Dans cette thèse, les propriétés électroniques des peapods individuels ont été étudiés en combinant les mesures de spectroscopie micro-Raman et de magnétotransport sur les mêmes échantillons. Nous avons constaté que les C60 encapsulés modifient fortement la structure de bande électronique des nanotubes semi-conducteurs au voisinage du point de neutralité de charge. Cette modification comprend un déplacement rigide de la structure électronique et un remplissage partiel de la bande interdite. Nous avons aussi montré que l’excitation UV sélective des fullerènes conduit à une forte modification du couplage électronique entre les C60 et le CNT induite par la coalescence partielle des C60 et de leur distribution à l'intérieur du tube. Les résultats expérimentaux sont supportés par des simulations numériques de la densité d'états et de la conductance des nanotubes de carbone avec des fullerènes fusionnés à l'intérieur (K. Katin, M. Maslov).Les nanofils semiconducteurs (sc-NWs) font l'objet de recherches actives depuis ces dix dernières années. Ils représentent des systèmes modèles pour l’étude des propriété électronique objet quasi-1D. Ils représentent en outre des possibilités de modulation de la structure de bande aussi que de contrôle de la densité de porteurs. Dans ce domaine de recherche, les nanofils semi-conducteurs à base de composes III-V tel que InAs, ont une place particulière en raison de la faible masse effective des porteurs de charge. Nous avons étudié la conductance de nanofils individuels dans une large gamme de champs magnétiques (jusqu'à 60T). Les mesures en champ nul et en champ faible ont démontré un transport faiblement diffusif dans ces nanofils. Les mesures de transport sous champ magnétique intense ont révélé une forte chute de la conductance au dessus d'un champ critique qui s'élève clairement avec l'énergie de Fermi. Cet effet est interprété par la perte de canaux de conduction une fois que toutes les sous-bandes magnéto-électriques, décalés vers les hautes énergies par le champ magnétique, ont traversé l'énergie de Fermi. Les calculs de structure de bande préliminaires (Y-M. Niquet), en prenant en compte les confinements latéraux et magnétiques, sont en bon accord qualitatif avec les résultats observés dans le régime de champ magnétique intense. Ce résultat est la première observation des effets de structure de bande dans les expériences de magnéto-transport sur les sc-NW

Propriétés électroniques des systèmes quasi-unidimensionnels (C60@SWCNTs et nanofils d'InAs) étudiés par le transport électronique sous champ magnétique intense

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes quasi-unidimensionnels (quasi-1D) sous champ magnétique intense. Deux systèmes différents présentant un confinement électrique quasi-1D ont été considérés: les peapods de carbone (C60@SWCNTs) et les nanofils d'InAs. L objectif de ces travaux consiste à sonder les propriétés électroniques spécifiques de ces systèmes quasi-1D par les mesures de magnétotransport sur les nano-objets uniques. Dans les deux cas, les expériences sous champs magnétiques intenses ont été accompagnée par des caractérisations structurales et des mesures de conductance à champ magnétique nul.L'encapsulation de diverses molécules à l'intérieur de nanotubes de carbone (CNTs), comme par exemple les fullerènes C60, constitue une des voies prometteuses vers l'accordabilité de la conductance des CNTs. Parmi la grande variété des nanotubes de carbone remplis, les peapods représentent une structure hybride pionnière découvert en 1998. Depuis lors, leur structure électronique a fait l objet d études théoriques controversées avec un nombre limité de réalisations expérimentales. Dans cette thèse, les propriétés électroniques des peapods individuels ont été étudiés en combinant les mesures de spectroscopie micro-Raman et de magnétotransport sur les mêmes échantillons. Nous avons constaté que les C60 encapsulés modifient fortement la structure de bande électronique des nanotubes semi-conducteurs au voisinage du point de neutralité de charge. Cette modification comprend un déplacement rigide de la structure électronique et un remplissage partiel de la bande interdite. Nous avons aussi montré que l excitation UV sélective des fullerènes conduit à une forte modification du couplage électronique entre les C60 et le CNT induite par la coalescence partielle des C60 et de leur distribution à l'intérieur du tube. Les résultats expérimentaux sont supportés par des simulations numériques de la densité d'états et de la conductance des nanotubes de carbone avec des fullerènes fusionnés à l'intérieur (K. Katin, M. Maslov).Les nanofils semiconducteurs (sc-NWs) font l'objet de recherches actives depuis ces dix dernières années. Ils représentent des systèmes modèles pour l étude des propriété électronique objet quasi-1D. Ils représentent en outre des possibilités de modulation de la structure de bande aussi que de contrôle de la densité de porteurs. Dans ce domaine de recherche, les nanofils semi-conducteurs à base de composes III-V tel que InAs, ont une place particulière en raison de la faible masse effective des porteurs de charge. Nous avons étudié la conductance de nanofils individuels dans une large gamme de champs magnétiques (jusqu'à 60T). Les mesures en champ nul et en champ faible ont démontré un transport faiblement diffusif dans ces nanofils. Les mesures de transport sous champ magnétique intense ont révélé une forte chute de la conductance au dessus d'un champ critique qui s'élève clairement avec l'énergie de Fermi. Cet effet est interprété par la perte de canaux de conduction une fois que toutes les sous-bandes magnéto-électriques, décalés vers les hautes énergies par le champ magnétique, ont traversé l'énergie de Fermi. Les calculs de structure de bande préliminaires (Y-M. Niquet), en prenant en compte les confinements latéraux et magnétiques, sont en bon accord qualitatif avec les résultats observés dans le régime de champ magnétique intense. Ce résultat est la première observation des effets de structure de bande dans les expériences de magnéto-transport sur les sc-NWsThe scope of this thesis is related to the electronic properties of quasi 1D systems probed by high field magnetotransport. Two different systems exhibiting quasi-1D confinement have been considered: carbon C60 peapods (C60@SWCNTs) and InAs semiconductor nanowires. The magnetotransport measurements on single nano-objets have been used to investigate the specific electronic structure of these 1D systems. In both cases, the high magnetic fields experiments have been supported by structural characterisation and conductance measurements at zero field.The encapsulation of various molecules inside carbon nanotubes (CNTs), as for instance C60 fullerenes encapsulated in SWCNT, constitutes promising routes towards the tunability of the CNT conductance. Among the wide variety of filled CNTs, peapods represent a pioneer hybrid structure discovered in 1998. Since that time, their electronic structure has been subjected to intense and controversial theoretical studies together with a limited number of experimental realizations. In this thesis the electronic properties of individual fullerene peapods have been investigated by combining micro-Raman spectroscopy and magnetotransport measurements on the same devices. We bring evidence that the encapsulated C60 strongly modify the electronic band structure of semiconducting nanotubes in the vicinity of the charge neutrality point, including a rigid shift and a partial filling of the energy gap. In addition by playing with a selective UV excitation of the fullerene, we demonstrate that the electronic coupling between the C60 and the CNT is strongly modified by the partial coalescence of the C60 and their distribution inside the tube. The experimental results are supported by numerical simulations of the Density of States and the conductance of CNTs with coalesced fullerenes inside (K. Katin, M. Maslov).Semiconductor nanowires (sc-NWs) are being the subject of intense researches started a decade ago. They represent model systems for the exploration of the electronic properties inerrant to the quasi1-D confinement. Moreover they offer the possibility to play with band structure tailoring and carrier doping. In this direction III-V sc-NWs such as InAs NWs have played a particular role due to the small electron effective mass. We have studied the high magnetic field conductance of single nanowires. Prior to the high field measurements, the zero and low field investigations have demonstrated a weakly diffusive regime of the carrier transport in these wires. The high field investigations have revealed a drastic conductance drop above a critical field, which clearly rises with the Fermi energy. This effect is interpreted by the loss of conducting channels once all the magneto-electric subbands, shifted toward the high energy range by the magnetic field, have crossed the Fermi energy. Preliminary band structure calculations (Y-M. Niquet), taking into account the lateral and magnetic confinements, are in fairly good qualitative agreement with the observed result in the high field regime. This result is the first observation of band structure effects in magneto-transport experiments on sc-NWsTOULOUSE-INSA-Bib. electronique (315559905) / SudocSudocFranceF

Electronic coupling in fullerene-doped semi-conducting carbon nanotubes probed by Raman spectroscopy and electronic transport

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Terphenylthiazole-based self-assembled monolayers on cobalt with high conductance photo-switching ratio for spintronics

Two new photo-switchable terphenylthiazoles molecules are synthesized and self-assembled as monolayers on Au and on ferromagnetic Co electrodes. The electron transport properties probed by conductive atomic force microscopy in ultra-high vacuum reveal a conductance of the light-induced closed (c) form larger than for the open (o) form. We report an unprecedented conductance ratio up to 380 between the closed and open forms on Co for the molecule with the anchoring group (thiol) on the side of the two N atoms of the thiazole unit. This result is rationalized by Density Functional Theory (DFT) calculations coupled to the Non-Equilibrium Green's function (NEGF) formalism. These calculations show that the high conductance in the closed form is due to a strong electronic coupling between the terphenylthiazole molecules and the Co electrode that manifests by a resonant transmission peak at the Fermi energy of the Co electrode with a large broadening. This behavior is not observed for the same molecules self-assembled on gold electrodes. These high conductance ratios make these Co-based molecular junctions attractive candidates to develop and study switchable molecular spintronic devices.Comment: Paper and supporting informatio

Confirmation of the growth mechanism of the buffer layer in epitaxial graphene on SiC.

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Processing and electrical characterization of SiC-on-Insulator structures

International audienceIon slicing technologies are becoming increasingly popular among silicon carbide (SiC) processing techniques, whether for manufacturing substrates for power electronics [1], [2] or integration platforms for optical devices [3]. For either of these applications, one as to ensure the excellent quality of the transferred layer. In this extent, silicon carbide-on-insulator (SICOI) structures can be of great interest in order to probe the properties of the transferred layer alone. The electrically insulating oxide layer between the receiver substrate and the transferred layer allows one to measure the electrical properties of the transferred layer, and to investigate the deep level defects created by the ion implantation step [4]. We thus report the fabrication process of such a SICOI structure, using a monocrystalline 4H-SiC wafer as the handle substrate. The choice of the later minimizes the difference of the thermal dilatation coefficients of the transferred layer and the substrate, as compared to the use of a Si handle [5], as well as allowing to benefit of a higher melting point. Doing so enables to access higher annealing temperatures, and to understand more acutely the effects of such manufacturing processes.[1] S. Rouchier, et al., Trans Tech Publications, vol. 1062, pp. 131-135, 2021.[2] K. Imaoka et al., US patent 9,761,479 B2, 2017.[3] A. Yi et al., Optical Materials, vol. 107, p. 109990, 2020.[4] X. Zhang et al., Nuc. Inst. Methods Phys. Res. B, vol. 436, pp. 107-111, 2018.[5] E. Hugonnard-Bruyère, et al., Mat. Sci. Eng.: B, vol. 61-62, pp. 382-388, 1999