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Transport électronique dans le graphène monocouche et bicouche : comparaison entre la physique des électrons de masse nulle et de masse finie


Transport électronique dans le graphène monocouche et bicouche : comparaison entre la physique des électrons de masse nulle et de masse finie

Le graphène est un plan atome unique extrait du graphite. Il constitue un des rares exemples de conducteur électrique bidimensionnel. Les électrons s’y meuvent dans un potentiel défini par le réseau cristallin des atomes de carbone arrangés suivant une structure hexagonale. Cet arrangement atomique fait que les électrons se comportent, de façon étonnante, comme s’ils avaient une masse nulle. Ce n’est plus le cas d’un échantillon constitué de deux plans atomiques de graphène (dit bicouche), dans lequel le mouvement électronique correspond à celui de particules de masse non nulle. La compréhension de la résistance électrique de ces deux systèmes passe par l’identification des impuretés et défauts donnant lieu à des collisions avec les électrons. La comparaison d’échantillons monocouche et bicouche fabriqués dans des conditions similaires et de conductivités identiques, nous a permis d’identifier la nature des centres diffuseurs dominants, et de comparer leur effet sur le mouvement de particules de masse nulle ou finie.

 

Pour ce faire, nous avons mesuré deux temps de collision (τtr et τe) qui dépendent différemment de la taille des centre diffuseurs. La dépendance en champ magnétique de la résistance (cf. figure) permet d’extraire ces deux temps caractéristiques Leur dépendance en fonction de l’énergie des électrons (que nous pouvons faire varier grâce à une électrode de grille), ainsi que le rapport de ces deux temps caractéristiques, que nous trouvons proche de deux, indique que ce ne sont pas des impuretés chargées de longue portée qui dominent, comme on le pensait jusque là, mais plutôt des centres diffuseurs de courte portée se comportant comme des sphères dures électriquement neutres, et de taille comparable à celle de la maille atomique. Il est intéressant de noter que nous trouvons la même nature de diffuseurs dominants dans les monocouches et bicouches, bien que les temps caractéristiques eux-mêmes diffèrent.

 

 

La différence entre particules avec et sans masse se manifeste de façon différente à très basse température. Dans ce régime de transport dit mésoscopique, la nature ondulatoire des électrons est à l’origine de fluctuations de conductance reproductibles. Ces fluctuations sont directement reliées aux interférences entre les fonctions d’onde électroniques dont la phase peut être modulée par le champ magnétique ou de la densité électronique. Il a été montré que la masse des porteurs de charge détermine aussi les champs et énergies caractéristiques de ces fluctuations, reliés aux longueurs de cohérence quantique dans les échantillons.

Ainsi la comparaison entre monocouche et bicouche, si proches chimiquement mais différents électroniquement, offre un terrain d’exploration de la physique des particules de masse nulle en matière condensée.

 

Références :

Transport and Elastic Scattering Times as Probes of the Nature of Impurity Scattering in Single-Layer and Bilayer Graphene - M. Monteverde, C. Ojeda-Aristizabal, R. Weil, K. Bennaceur, M. Ferrier, S. Guéron, C. Glattli, H. Bouchiat, J. N. Fuchs, and D. L. Maslov, Phys. Rev. Lett. 104, 126801 (2010)

Conductance Fluctuations and Field Asymmetry of Rectification in Graphene - C. Ojeda-Aristizabal, M. Monteverde, R. Weil, M. Ferrier, S. Guéron, and H. Bouchiat, Phys. Rev. Lett. 104, 186802 (2010)