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FABRICATION	
  AND	
  
CHARACTERIZATION	
  OF	
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NANODEVICES	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
Outline	
  
•  IntroducFon	
  
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  in	
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•  SuperconducFvity	
  in	
  3D	
  porous	
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FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
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QHE	
  in	
  graphene:	
  	
  
number	
  of	
  layer	
  maXers	
  
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FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
3	
  
Integer	
  Quantum	
  Hall	
  effect	
  
•  QuanFzaFon	
   in	
   Landau	
  
levels:	
  Rxy=h/νe2	
  
•  Standard	
  2DEGs:	
  ν = ng	
  	
  
•  Graphene:	
  ν = g(n+1/2)	
  	
  
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  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
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Quantum	
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  transiFons	
  
•  LocalizaFon-­‐delocalizaFon	
  transiFons	
  
•  CriFcality	
  of	
  the	
  transiFon	
  
•  Ec:	
  criFcal	
  energy	
  and	
  ξ	
  localizaFon	
  length	
  
•  γ:	
  criFcal	
  exponent	
  of	
  the	
  transiFon 	

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Cayetano	
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ξ ∝ E − Ec
−γ
Experiment<-­‐>Theory	
  
•  p:	
  coherence	
  length	
  dependence	
  on	
  T	
  	
  
•  γ	
  yields	
  informaFon	
  on	
  the	
  kind	
  of	
  disorder	
  
•  Need	
  of	
  extremely	
  high	
  quality	
  samples	
  
– Low	
  n,	
  high	
  µ	
  and	
  high	
  homogeneity	
  
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Cayetano	
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∂ρxy
∂B
"
#
$
%
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'
max
∝T−κ
κ = p / 2γ
lφ ∝T− p/2
FABRICATION	
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Graphene	
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•  Mechanical	
  exfolia-on:	
  scotch-­‐tape	
  technique	
  
•  CVD	
  grown	
  graphene	
  
•  Epitaxial	
  graphene	
  
•  Reduced	
  graphene	
  oxide	
  
Mechanical	
  cleavage	
  
•  Ingredientes:	
  Natural	
  graphite	
  and	
  scotch	
  tape	
  
•  Layer	
  by	
  layer	
  exfoliaFon	
  
•  DeposiFon	
  onto	
  the	
  wafer	
  
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•  IdenFficaFon	
  using	
  the	
  opFcal	
  microscope	
  
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Processing:	
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EvaporaFon	
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Processing:	
  ReacFve	
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Cayetano	
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Sample	
  monFng	
  and	
  bonding	
  
Our	
  LAB	
  
3He	
  Heliox	
  cryostat	
  
	
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0.285	
  K	
  <	
  T	
  <	
  300	
  K	
  
3He/4He	
  dilu-on	
  cryostat	
  
(2011)	
  
0.01	
  K	
  <	
  T	
  <	
  30	
  K	
  
RuO2	
  therm.	
  closer	
  to	
  the	
  sample	
  
CalibraFon:	
  	
  nuclear	
  thermometer	
  
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Cayetano	
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SC	
  magnet	
  
	
  (2008)	
  
B	
  =	
  12	
  T	
  
Bore	
  diameter	
  55	
  mm	
  
Sample	
  rod	
  
•  Thermally	
  linked	
  to	
  the	
  cryostat	
  
•  Sample	
  cooled	
  down	
  via	
  the	
  wires	
  
•  Home	
  made	
  and	
  designed	
  holders	
  
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  in	
  bilayer	
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1 2 3 4 5
2800
3000
3200
3400
3600
3800
µ(cm
2
/Vs)
n (10
12
cm
-2
)
QHE	
  in	
  trilayer	
  graphene	
  
•  ObservaFon	
   of	
   the	
  
ν=6	
  plateau	
  
•  Study	
  of	
  the	
  QHE	
  as	
  a	
  
funcFon	
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  T	
  
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C.	
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  et	
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  Physica	
  E	
  44	
  530-­‐533	
  (2011)	
  
C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  Phys.	
  Status	
  Solidi	
  C	
  9	
  1411-­‐1414	
  (2012)	
  
Weak	
  localizaFon	
  
weak	
  anFlocalizaFon	
  
•  Electrons	
  counter	
  
propagaFng	
  in	
  closed	
  paths	
  
–  Phase	
  conserved	
  
–  Time	
  reversal	
  symmetry	
  
conserved	
  
•  Broken	
  if	
  B	
  is	
  applied	
  
•  Back	
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–  WL:	
  Maximum	
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  ρ	
  at	
  B=0	
  
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  localizaFon	
  
weak	
  anFlocalizaFon	
  
•  Electrons	
  counter	
  
propagaFng	
  in	
  closed	
  paths	
  
–  Phase	
  conserved	
  
–  Time	
  reversal	
  symmetry	
  
conserved	
  
•  Broken	
  if	
  B	
  is	
  applied	
  
•  Back	
  scaXering	
  enhanced	
  
–  WL:	
  Maximum	
  of	
  ρ	
  at	
  B=0	
  
•  Carriers	
  in	
  graphene	
  are	
  chiral	
  
–  Back	
  scaXering	
  forbidden!	
  
•  WAL:	
  Minimum	
  of	
  ρ	
  at	
  B=0	
  
–  Chirality	
  at	
  low	
  energies	
  
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  Sánchez-­‐Fabrés	
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-0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
T=0.3K T=1.6K
T=3K T=6K
T=10K T=15K
σ(B)-σ(0)(e
2
/h)
B(T)
0.3 K
15 K
-0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
0.00
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0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
σ(B)-σ(0)(e
2
/h)
B (T)
T=0.3 K T=1.6 K
T=2.6 K T=6 K
T=10 K T=15 K0.3 K
15 K
Vg	
  =	
  0	
  V	
   Vg	
  =	
  -­‐10	
  V	
  
S.	
  Pezzini,	
  C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  Physical	
  Review	
  B	
  85	
  165451	
  (2012)	
  	
  
h-­‐BN/bilayer	
  graphene/h-­‐BN	
  
heterostructure	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
24	
  
Dirac	
  peak	
  vs	
  Temperature	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
25	
  
Dirac	
  peak	
  vs	
  Temperature	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
26	
  
nc	
  nc	
  
Transport	
  regimes	
  
•  n	
  <	
  nc	
  
– T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
27	
  
Transport	
  regimes	
  
•  n	
  <	
  nc	
  
– T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
– 10	
  K	
  <	
  T	
  <	
  50	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
28	
  
Transport	
  regimes	
  
•  n	
  <	
  nc	
  
– T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
– 10	
  K	
  <	
  T	
  <	
  50	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
•  n	
  >	
  nc	
  
– T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
29	
  
Transport	
  regimes	
  
•  n	
  <	
  nc	
  
–  T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
–  10	
  K	
  <	
  T	
  <	
  50	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
•  n	
  >	
  nc	
  
–  T	
  <	
  10	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T<0	
  
–  10	
  K	
  <	
  T	
  <	
  50	
  K	
  
•  ∂ ρxx/ ∂ T>0	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
30	
  
All	
  together...	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
31	
  
C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  Phys.	
  Rev	
  B	
  89	
  121404R	
  (2014)	
  
Magnetotransport	
  characterizaFon	
  
•  Vd~0.5	
  V	
  
•  n~1011	
  cm-­‐2	
  
•  µ~40000	
  cm2/Vs	

18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
32	
  
Quantum	
  phase	
  transiFons	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
33	
  
Measurements	
  
•  n=10.2·∙1011cm-­‐2	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
34	
  
ν=12	

ν=16	

ν=8
Measurements	
  
•  n=10.2·∙1011cm-­‐2	
  
•  12-­‐>8	
  
•  16-­‐>12	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
35	
  
ν=12	

ν=16	

ν=8
Measurements	
  
•  n=10.2·∙1011cm-­‐2	
  
•  12-­‐>8	
  
•  16-­‐>12	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
36	
  
ν=12	

ν=16	

ν=8	

∂ρxy
∂B
"
#
$
%
&
'
max
∝T−κ
Measurements	
  
•  n=10.2·∙1011cm-­‐2	
  
•  12-­‐>8	
  
•  16-­‐>12	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
37	
  
ν=12	

ν=16	

ν=8	

∂ρxy
∂B
"
#
$
%
&
'
max
∝T−κ
κ ≈ 0.3
Measurements	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
38	
  
κ ≈ 0.3
Universality	
  of	
  the	
  transiFon	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
39	
  
n	
  =	
  14.6×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  10.2×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  6.07×1011	
  cm-­‐2	
  	
  
Universality	
  of	
  the	
  transiFon	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
40	
  
n	
  =	
  14.6×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  10.2×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  6.07×1011	
  cm-­‐2	
  	
  
n	
  =	
  (-­‐)4.74×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  (-­‐)6.84×1011	
  cm-­‐2	
  	
   n	
  =	
  (-­‐)9.03×1011	
  cm-­‐2	
  
n-­‐independent	
  κ	
  
•  SaturaFon	
  for	
  T<5	
  K	
  
	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
41	
  
κ = 0.30 ± 0.02
Effect	
  of	
  disorder	
  
•  γ = p/2κ	

	
  
	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
42	
  
Short	
  range	
  disorder	
  
(Anderson	
  model)	
  
Long	
  range	
  disorder	
  
(Classic	
  percolaFon)	
  
Our	
  data	
  
κ=0.42	
   κ=0.75	
   κ=0.3	
  
If	
  p=2;	
  γ=2.38	
   If	
  p=2;	
  γ=4/3	
   If	
  p=2;	
  γ=3.3	
  
Effect	
  of	
  disorder	
  
•  γ = p/2κ	

•  What	
  if	
  p≠2?	
  
•  Next	
  goal:	
  measure	
  p	
  and	
  γ independently	

	
  
	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
43	
  
Short	
  range	
  disorder	
  
(Anderson	
  model)	
  
Long	
  range	
  disorder	
  
(Classic	
  percolaFon)	
  
Our	
  data	
  
κ=0.42	
   κ=0.75	
   κ=0.3	
  
If	
  p=2;	
  γ=2.38	
   If	
  p=2;	
  γ=4/3	
   If	
  p=2;	
  γ=3.3	
  
LocalizaFon	
  length:	
  γ	
  
•  Tails	
  of	
  the	
  LL:	
  VRH	
  	
  
•  CriFcal	
  transiFon:	
  	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
44	
  
σxx ∝exp − T0 /T( )
T0 ∝ξ−1
γ
νν
ξ
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ −
∝
4
c
Coherence	
  length:	
  p	
  
•  Phase	
  coherence	
  preservaFon	
  depends	
  on	
  T	
  
•  WL	
  as	
  funcFon	
  of	
  T	
  
•  Measurement	
  of	
  lϕ	
  as	
  funcFon	
  of	
  T	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
45	
  
lϕ ∝T− p/2
WL	
  in	
  bilayer	
  graphene	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
46	
  
-10 0 10
0.0
0.1
0.2
0.3
15 K
∆σxx
(e
2
/h)
B (mT)
0.3 K
0.1 1 10
0.1
1
10
Lφ
bestFIT
Lφ
(µm)
T (K)
p	
  =	
  0.9	
  
Classical	
  percolaFon	

•  Measurements	
  of	
  κ,	
  γ and	
  p	
  are	
  
compaFble	

•  Both	
  methods	
  are	
  compaFble	
  
with	
  a	
  PPT	
  driven	
  by	
  classical	
  
percolaFon*	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
47	
  
*	
  C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  SubmiXed	
  to	
  Phys.	
  Rev.	
  LeX	
  
Short	
  range	
  disorder	
  
(Anderson	
  model)	
  
Long	
  range	
  disorder	
  
(Classic	
  percolaFon)	
  
Our	
  data	
  
κ=0.42	
   κ=0.75	
   κ=0.3	
  
If	
  p=2;	
  γ=2.38	
   If	
  p=2;	
  γ=4/3	
   p	
  =0.9;	
  γ=1.4±0.1	
  
γ=1.3±0.3	
  
Classical	
  percolaFon	

•  Measurements	
  of	
  κ,	
  γ and	
  p	
  are	
  
compaFble	

•  Both	
  methods	
  are	
  compaFble	
  
with	
  a	
  PPT	
  driven	
  by	
  classical	
  
percolaFon*	
  
•  CompaFble	
  with	
  STM	
  
observaFons	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
48	
  
*	
  C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  SubmiXed	
  to	
  Phys.	
  Rev.	
  LeX	
  
Short	
  range	
  disorder	
  
(Anderson	
  model)	
  
Long	
  range	
  disorder	
  
(Classic	
  percolaFon)	
  
Our	
  data	
  
κ=0.42	
   κ=0.75	
   κ=0.3	
  
If	
  p=2;	
  γ=2.38	
   If	
  p=2;	
  γ=4/3	
   p	
  =0.9;	
  γ=1.4±0.1	
  
γ=1.3±0.3	
  
SuperconducFvity	
  in	
  	
  
3D	
  porous	
  graphene	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
49	
  
The	
  samples	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
50	
  
3D	
  porous	
  carbon	
  
3D	
  porous	
  carbon+Ta	
   3D	
  porous	
  graphene+Ta	
  
3D	
  porous	
  graphene	
  
3D	
  graphene	
  vs	
  3D	
  carbon	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
51	
  
H2c =
φ0
2πξ(0)2
1−
T
T0
"
#
$
%
&
'
SuperconducFng	
  properFes	
  of	
  Ta	
  
3D	
  graphene	
  
•  Bc	
  =	
  2	
  T	
  
•  Tc	
  	
  =	
  1.2	
  K	
  
•  ξ(0)	
  =	
  14	
  nm	

•  vF	
  =	
  1.2·∙104	
  m/s	
  
	
  
3D	
  carbon	
  
•  Bc	
  =	
  2.3	
  T	
  
•  Tc	
  	
  =	
  0.96	
  K	
  
•  ξ(0)	
  =	
  11	
  nm	
  
•  vF	
  =	
  0.8·∙104	
  m/s	
  	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
52	
  
C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  SubmiXed	
  to	
  App.	
  Phys.	
  LeX	
  
SuperconducFng	
  properFes	
  of	
  Ta	
  
3D	
  graphene	
  (sp2	
  bonds)	
  
•  Bc	
  =	
  2	
  T	
  
•  Tc	
  	
  =	
  1.2	
  K	
  
•  ξ(0)	
  =	
  14	
  nm	

•  vF	
  =	
  1.2·∙104	
  m/s	
  
	
  
3D	
  carbon	
  	
  (sp3	
  bonds)	
  
•  Bc	
  =	
  2.3	
  T	
  
•  Tc	
  	
  =	
  0.96	
  K	
  
•  ξ(0)	
  =	
  11	
  nm	
  
•  vF	
  =	
  0.8·∙104	
  m/s	
  	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
53	
  
Stronger	
  hybridizaFon	
  between	
  e-­‐	
  in	
  Ta	
  and	
  3DG	
  than	
  between	
  Ta	
  and	
  3DC	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
C.	
  Cobaleda	
  et	
  al.	
  SubmiXed	
  to	
  App.	
  Phys.	
  LeX	
  
Conclusions	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
54	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
55	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
•  QHE	
  in	
  inhomogeneous	
  graphene	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
56	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
•  QHE	
  in	
  inhomogeneous	
  graphene	
  
•  WL-­‐WAL	
  transiFon	
  in	
  monolayer	
  graphene	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
57	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
•  QHE	
  in	
  inhomogeneous	
  graphene	
  
•  WL-­‐WAL	
  transiFon	
  in	
  monolayer	
  graphene	
  
•  Transport	
  regimes	
  in	
  hBN/graphene/hBN	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
58	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
•  QHE	
  in	
  inhomogeneous	
  graphene	
  
•  WL-­‐WAL	
  transiFon	
  in	
  monolayer	
  graphene	
  
•  Transport	
  regimes	
  in	
  hBN/graphene/hBN	
  
•  First	
   observaFon	
   of	
   a	
   QPT	
   fully	
   driven	
   by	
   a	
  
classical	
  percolaFon	
  regime in	
  graphene	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
59	
  
Conclusions	
  
•  FabricaFon	
  of	
  graphene	
  devices	
  
•  QHE	
  in	
  inhomogeneous	
  graphene	
  
•  WL-­‐WAL	
  transiFon	
  in	
  monolayer	
  graphene	
  
•  Transport	
  regimes	
  in	
  hBN/graphene/hBN	
  
•  First	
   observaFon	
   of	
   a	
   QPT	
   fully	
   driven	
   by	
   a	
  
classical	
  percolaFon	
  regime in	
  graphene	
  
•  Study	
   of	
   charge	
   transfer	
   effects	
   between	
  
tantalum	
  and	
  3D	
  graphene	
  and	
  carbon	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
60	
  
Agradecimientos	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
61	
  
Dr.	
  Enrique	
  Diez	
  
Dr.	
  Yahya	
  Meziani	
  
Dr.	
  ViXorio	
  Bellani	
  
Dr.	
  Francesco	
  Rossella	
  
Sergio	
  Pezzini	
  
David	
  López-­‐Romero	
  
Maika	
  Sabido	
  
Alicia	
  Fraile	
  
Dr.	
  Wei	
  Pan	
  
Dr.	
  Duncan	
  Maude	
  
Dr.	
  Walter	
  Escoffier	
  
Dr.	
  Benjamin	
  Piot	
  
Fabrice	
  Iacovella	
  
Electronic	
  instrumentaFon	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
62	
  
V~1V	
  
f~15	
  Hz	
  
100	
  MΩ	
  
~10	
  nA	
  
SR	
  Lock-­‐in	
  amplifier	
  830	
  and	
  Keithley	
  Sourcemeter	
  2601	
  A	
  
Vg	
  
Future	
  perspecFves	
  
•  Novel	
  routes	
  towards	
  effecFve	
  ambipolar	
  FETs	
  
– Non	
  perpendicular	
  top	
  gates	
  
– MoS2,	
  InSb,	
  etc	
  
– van	
  der	
  Waals	
  structures	
  
•  QHE	
  in	
  4	
  layered	
  graphene	
  
•  Study	
  the	
  QPT	
  in	
  suspended	
  graphene	
  
•  CharacterisaFon	
  of	
  QPT	
  in	
  TLG	
  and	
  4LG	
  
18/06/14	
  
FabricaFon	
  and	
  characterizaFon	
  of	
  
graphene	
  nanodevices	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Cayetano	
  Sánchez-­‐Fabrés	
  Cobaleda	
  
63	
  

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Fabrication and characterization of graphene nanodevices

  • 1. FABRICATION  AND   CHARACTERIZATION  OF  GRAPHENE   NANODEVICES   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda  
  • 2. Outline   •  IntroducFon   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  graphene   •  WL-­‐WAL  in  graphene   •  PPT  in  h-­‐BN/graphene/h-­‐BN   •  SuperconducFvity  in  3D  porous  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   2  
  • 3. QHE  in  graphene:     number  of  layer  maXers   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   3  
  • 4. Integer  Quantum  Hall  effect   •  QuanFzaFon   in   Landau   levels:  Rxy=h/νe2   •  Standard  2DEGs:  ν = ng     •  Graphene:  ν = g(n+1/2)     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   4  
  • 5. Quantum  phase  transiFons   •  LocalizaFon-­‐delocalizaFon  transiFons   •  CriFcality  of  the  transiFon   •  Ec:  criFcal  energy  and  ξ  localizaFon  length   •  γ:  criFcal  exponent  of  the  transiFon 18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   5   ξ ∝ E − Ec −γ
  • 6. Experiment<-­‐>Theory   •  p:  coherence  length  dependence  on  T     •  γ  yields  informaFon  on  the  kind  of  disorder   •  Need  of  extremely  high  quality  samples   – Low  n,  high  µ  and  high  homogeneity   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   6   ∂ρxy ∂B " # $ % & ' max ∝T−κ κ = p / 2γ lφ ∝T− p/2
  • 7. FABRICATION  OF  GRAPHENE  NANODEVICES   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   7  
  • 8. 18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   8   Graphene  producFon   •  Mechanical  exfolia-on:  scotch-­‐tape  technique   •  CVD  grown  graphene   •  Epitaxial  graphene   •  Reduced  graphene  oxide  
  • 9. Mechanical  cleavage   •  Ingredientes:  Natural  graphite  and  scotch  tape   •  Layer  by  layer  exfoliaFon   •  DeposiFon  onto  the  wafer   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   9  
  • 10. Mechanical  cleavage   •  IdenFficaFon  using  the  opFcal  microscope   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   10   50  um   25  um  
  • 11. Processing:  e-­‐beam  lithography   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   11   15  um  
  • 12. Processing:  e-­‐beam  lithography   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   12   50  um   15  um  
  • 13. EvaporaFon  of  contacts     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   13   50  um   15  um  
  • 14. Processing:  ReacFve  ion  etching   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   14   25  um   15  um  
  • 15. 18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   15   Sample  monFng  and  bonding  
  • 16. Our  LAB   3He  Heliox  cryostat    (2008)   0.285  K  <  T  <  300  K   3He/4He  dilu-on  cryostat   (2011)   0.01  K  <  T  <  30  K   RuO2  therm.  closer  to  the  sample   CalibraFon:    nuclear  thermometer   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   16   SC  magnet    (2008)   B  =  12  T   Bore  diameter  55  mm  
  • 17. Sample  rod   •  Thermally  linked  to  the  cryostat   •  Sample  cooled  down  via  the  wires   •  Home  made  and  designed  holders   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   17  
  • 18. Quantum  Hall  effect  in  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   18  
  • 19. QHE  in  bilayer  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   19   1 2 3 4 5 2800 3000 3200 3400 3600 3800 µ(cm 2 /Vs) n (10 12 cm -2 )
  • 20. QHE  in  trilayer  graphene   •  ObservaFon   of   the   ν=6  plateau   •  Study  of  the  QHE  as  a   funcFon  of  T   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   20   C.  Cobaleda  et  al.  Physica  E  44  530-­‐533  (2011)   C.  Cobaleda  et  al.  Phys.  Status  Solidi  C  9  1411-­‐1414  (2012)  
  • 21. Weak  localizaFon   weak  anFlocalizaFon   •  Electrons  counter   propagaFng  in  closed  paths   –  Phase  conserved   –  Time  reversal  symmetry   conserved   •  Broken  if  B  is  applied   •  Back  scaXering  enhanced   –  WL:  Maximum  of  ρ  at  B=0   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   21  
  • 22. Weak  localizaFon   weak  anFlocalizaFon   •  Electrons  counter   propagaFng  in  closed  paths   –  Phase  conserved   –  Time  reversal  symmetry   conserved   •  Broken  if  B  is  applied   •  Back  scaXering  enhanced   –  WL:  Maximum  of  ρ  at  B=0   •  Carriers  in  graphene  are  chiral   –  Back  scaXering  forbidden!   •  WAL:  Minimum  of  ρ  at  B=0   –  Chirality  at  low  energies   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   22  
  • 23. WAL-­‐WL  transiFon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   23   -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 T=0.3K T=1.6K T=3K T=6K T=10K T=15K σ(B)-σ(0)(e 2 /h) B(T) 0.3 K 15 K -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 σ(B)-σ(0)(e 2 /h) B (T) T=0.3 K T=1.6 K T=2.6 K T=6 K T=10 K T=15 K0.3 K 15 K Vg  =  0  V   Vg  =  -­‐10  V   S.  Pezzini,  C.  Cobaleda  et  al.  Physical  Review  B  85  165451  (2012)    
  • 24. h-­‐BN/bilayer  graphene/h-­‐BN   heterostructure   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   24  
  • 25. Dirac  peak  vs  Temperature   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   25  
  • 26. Dirac  peak  vs  Temperature   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   26   nc  nc  
  • 27. Transport  regimes   •  n  <  nc   – T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   27  
  • 28. Transport  regimes   •  n  <  nc   – T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   – 10  K  <  T  <  50  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   28  
  • 29. Transport  regimes   •  n  <  nc   – T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   – 10  K  <  T  <  50  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   •  n  >  nc   – T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   29  
  • 30. Transport  regimes   •  n  <  nc   –  T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   –  10  K  <  T  <  50  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   •  n  >  nc   –  T  <  10  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T<0   –  10  K  <  T  <  50  K   •  ∂ ρxx/ ∂ T>0   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   30  
  • 31. All  together...   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   31   C.  Cobaleda  et  al.  Phys.  Rev  B  89  121404R  (2014)  
  • 32. Magnetotransport  characterizaFon   •  Vd~0.5  V   •  n~1011  cm-­‐2   •  µ~40000  cm2/Vs 18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   32  
  • 33. Quantum  phase  transiFons   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   33  
  • 34. Measurements   •  n=10.2·∙1011cm-­‐2   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   34   ν=12 ν=16 ν=8
  • 35. Measurements   •  n=10.2·∙1011cm-­‐2   •  12-­‐>8   •  16-­‐>12   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   35   ν=12 ν=16 ν=8
  • 36. Measurements   •  n=10.2·∙1011cm-­‐2   •  12-­‐>8   •  16-­‐>12   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   36   ν=12 ν=16 ν=8 ∂ρxy ∂B " # $ % & ' max ∝T−κ
  • 37. Measurements   •  n=10.2·∙1011cm-­‐2   •  12-­‐>8   •  16-­‐>12   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   37   ν=12 ν=16 ν=8 ∂ρxy ∂B " # $ % & ' max ∝T−κ κ ≈ 0.3
  • 38. Measurements   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   38   κ ≈ 0.3
  • 39. Universality  of  the  transiFon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   39   n  =  14.6×1011  cm-­‐2     n  =  10.2×1011  cm-­‐2     n  =  6.07×1011  cm-­‐2    
  • 40. Universality  of  the  transiFon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   40   n  =  14.6×1011  cm-­‐2     n  =  10.2×1011  cm-­‐2     n  =  6.07×1011  cm-­‐2     n  =  (-­‐)4.74×1011  cm-­‐2     n  =  (-­‐)6.84×1011  cm-­‐2     n  =  (-­‐)9.03×1011  cm-­‐2  
  • 41. n-­‐independent  κ   •  SaturaFon  for  T<5  K     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   41   κ = 0.30 ± 0.02
  • 42. Effect  of  disorder   •  γ = p/2κ     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   42   Short  range  disorder   (Anderson  model)   Long  range  disorder   (Classic  percolaFon)   Our  data   κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3   If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   If  p=2;  γ=3.3  
  • 43. Effect  of  disorder   •  γ = p/2κ •  What  if  p≠2?   •  Next  goal:  measure  p  and  γ independently     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   43   Short  range  disorder   (Anderson  model)   Long  range  disorder   (Classic  percolaFon)   Our  data   κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3   If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   If  p=2;  γ=3.3  
  • 44. LocalizaFon  length:  γ   •  Tails  of  the  LL:  VRH     •  CriFcal  transiFon:     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   44   σxx ∝exp − T0 /T( ) T0 ∝ξ−1 γ νν ξ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ∝ 4 c
  • 45. Coherence  length:  p   •  Phase  coherence  preservaFon  depends  on  T   •  WL  as  funcFon  of  T   •  Measurement  of  lϕ  as  funcFon  of  T   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   45   lϕ ∝T− p/2
  • 46. WL  in  bilayer  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   46   -10 0 10 0.0 0.1 0.2 0.3 15 K ∆σxx (e 2 /h) B (mT) 0.3 K 0.1 1 10 0.1 1 10 Lφ bestFIT Lφ (µm) T (K) p  =  0.9  
  • 47. Classical  percolaFon •  Measurements  of  κ,  γ and  p  are   compaFble •  Both  methods  are  compaFble   with  a  PPT  driven  by  classical   percolaFon*   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   47   *  C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  Phys.  Rev.  LeX   Short  range  disorder   (Anderson  model)   Long  range  disorder   (Classic  percolaFon)   Our  data   κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3   If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   p  =0.9;  γ=1.4±0.1   γ=1.3±0.3  
  • 48. Classical  percolaFon •  Measurements  of  κ,  γ and  p  are   compaFble •  Both  methods  are  compaFble   with  a  PPT  driven  by  classical   percolaFon*   •  CompaFble  with  STM   observaFons   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   48   *  C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  Phys.  Rev.  LeX   Short  range  disorder   (Anderson  model)   Long  range  disorder   (Classic  percolaFon)   Our  data   κ=0.42   κ=0.75   κ=0.3   If  p=2;  γ=2.38   If  p=2;  γ=4/3   p  =0.9;  γ=1.4±0.1   γ=1.3±0.3  
  • 49. SuperconducFvity  in     3D  porous  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   49  
  • 50. The  samples   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   50   3D  porous  carbon   3D  porous  carbon+Ta   3D  porous  graphene+Ta   3D  porous  graphene  
  • 51. 3D  graphene  vs  3D  carbon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   51   H2c = φ0 2πξ(0)2 1− T T0 " # $ % & '
  • 52. SuperconducFng  properFes  of  Ta   3D  graphene   •  Bc  =  2  T   •  Tc    =  1.2  K   •  ξ(0)  =  14  nm •  vF  =  1.2·∙104  m/s     3D  carbon   •  Bc  =  2.3  T   •  Tc    =  0.96  K   •  ξ(0)  =  11  nm   •  vF  =  0.8·∙104  m/s     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   52   C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  App.  Phys.  LeX  
  • 53. SuperconducFng  properFes  of  Ta   3D  graphene  (sp2  bonds)   •  Bc  =  2  T   •  Tc    =  1.2  K   •  ξ(0)  =  14  nm •  vF  =  1.2·∙104  m/s     3D  carbon    (sp3  bonds)   •  Bc  =  2.3  T   •  Tc    =  0.96  K   •  ξ(0)  =  11  nm   •  vF  =  0.8·∙104  m/s     18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   53   Stronger  hybridizaFon  between  e-­‐  in  Ta  and  3DG  than  between  Ta  and  3DC                               C.  Cobaleda  et  al.  SubmiXed  to  App.  Phys.  LeX  
  • 54. Conclusions   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   54  
  • 55. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   55  
  • 56. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  inhomogeneous  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   56  
  • 57. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  inhomogeneous  graphene   •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   57  
  • 58. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  inhomogeneous  graphene   •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene   •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   58  
  • 59. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  inhomogeneous  graphene   •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene   •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN   •  First   observaFon   of   a   QPT   fully   driven   by   a   classical  percolaFon  regime in  graphene   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   59  
  • 60. Conclusions   •  FabricaFon  of  graphene  devices   •  QHE  in  inhomogeneous  graphene   •  WL-­‐WAL  transiFon  in  monolayer  graphene   •  Transport  regimes  in  hBN/graphene/hBN   •  First   observaFon   of   a   QPT   fully   driven   by   a   classical  percolaFon  regime in  graphene   •  Study   of   charge   transfer   effects   between   tantalum  and  3D  graphene  and  carbon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   60  
  • 61. Agradecimientos   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   61   Dr.  Enrique  Diez   Dr.  Yahya  Meziani   Dr.  ViXorio  Bellani   Dr.  Francesco  Rossella   Sergio  Pezzini   David  López-­‐Romero   Maika  Sabido   Alicia  Fraile   Dr.  Wei  Pan   Dr.  Duncan  Maude   Dr.  Walter  Escoffier   Dr.  Benjamin  Piot   Fabrice  Iacovella  
  • 62. Electronic  instrumentaFon   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   62   V~1V   f~15  Hz   100  MΩ   ~10  nA   SR  Lock-­‐in  amplifier  830  and  Keithley  Sourcemeter  2601  A   Vg  
  • 63. Future  perspecFves   •  Novel  routes  towards  effecFve  ambipolar  FETs   – Non  perpendicular  top  gates   – MoS2,  InSb,  etc   – van  der  Waals  structures   •  QHE  in  4  layered  graphene   •  Study  the  QPT  in  suspended  graphene   •  CharacterisaFon  of  QPT  in  TLG  and  4LG   18/06/14   FabricaFon  and  characterizaFon  of   graphene  nanodevices                                                                                                   Cayetano  Sánchez-­‐Fabrés  Cobaleda   63