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Theses Year : 2015

Charge disorder and screening in graphene

Désordre de charge et écrantage dans le graphène

Sayanti Samaddar
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Graphene presents a two-dimensional system whose charge carriers are subjected to a disordered potential created by random charge impurities trapped in the substrate. This impurity potential induces an inhomogeneous carrier concentration. On the other hand, the ability of single-layered graphene to screen this potential strongly depends on the charge carrier density. Thus the effect of the resulting charge disorder can be tuned with the backgate which manifests also in the transport properties of the device. By combining Scanning tunneling microscopy and spectroscopy with in-situ transport at dilution temperature, we probe a system of single-layered graphene on SiO2. Local density of states maps on graphene, acquired at various carrier concentrations show gradual increase of spatial extent and amplitude of inhomogeneities as the Dirac point is approached. While the variations of the spatial extent of the fluctuations with back-gate show very good agreement with predictions, the observed amplitude of inhomogeneities show a larger than expected increase at low densities. We explain this as a result of the local gating effect exerted by the tip on graphene which amplifies any change in the intrinsic doping at low carrier concentrations. This is the first experiment bridging the gap between microscopic disorder and macroscopic transport properties of a graphene device.
Le graphène héberge un gaz d'électrons bi-dimensionnel, sujet à un potentiel électrostatique désordonné dû aux impuretés de charge dans le substrat. Ce potentiel désordonné induit des inhomogénéités de la densité de porteurs de charge dans le graphène. Par ailleurs, l'écrantage dans le graphène mono-feuillet de ce potentiel dépend lui-même de la densité de porteurs de charge. L'effet du désordre de charge peut donc être modulé avec un potentiel de grille global, ce qui se manifeste en particulier dans la transconductance de dispositifs à base de graphène. Nous combinons des mesures par Microscopie/Spectroscopie à effet tunnel avec des mesures de transport in situ sur des dispositifs à base de mono-feuillets de graphène sur SiO2, à basse température. Les cartes de la densité locale d'états du graphène, à diverses tensions de grille, mettent en évidence l'augmentation progressive des dimensions latérales ainsi que de l'amplitude des inhomogénéités au voisinage du point de Dirac. Alors que la dépendance en grille de la taille des inhomogénéités est en bon accord avec les prédictions, leur amplitude est plus forte qu'attendue au point de Dirac. Nous expliquons ce désaccord en prenant en compte l'effet de grille local produit par la pointe elle-même, qui a pour effet d'amplifier expérimentalement toute variation de la densité de porteurs de charge lorsque celle-ci elle faible. Cette expérience est ainsi la première mesure qui relie quantitativement les propriétés de désordre de charge à l'échelle microscopique aux propriétés de transport macroscopiques d'un dispositif à base de graphène.
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Sayanti Samaddar. Charge disorder and screening in graphene. Quantum Physics [quant-ph]. Université Grenoble Alpes, 2015. English. ⟨NNT : 2015GREAY065⟩. ⟨tel-01310259⟩


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