지난 수십 년간, 수 많은 물질들이 합성되고 발견되어 왔다. 그리고 그 물질들의 전기적, 열적 특성을 알기 위해 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이를 통해 고체 물질에 대해 더 폭넓은 이해를 할 수 있게 되었다. 최근에는 특히 나노 및 마이크로 사이즈에서의 물질 특성 연구가 활발히 진행되고 있는데 이는 저차원계 물리에 대한 우리의 이해를 넓혀주고 있으며, 특히 점점 소형화, 집적화되고 있는 전자소자의 개발에도 매우 중요하다. 이러한 저차원계 물질 중에서 최근 가장 각광 받는 물질은 그래핀이다. 그래핀은 원자 하나의 두께를 (0.35 ...
지난 수십 년간, 수 많은 물질들이 합성되고 발견되어 왔다. 그리고 그 물질들의 전기적, 열적 특성을 알기 위해 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이를 통해 고체 물질에 대해 더 폭넓은 이해를 할 수 있게 되었다. 최근에는 특히 나노 및 마이크로 사이즈에서의 물질 특성 연구가 활발히 진행되고 있는데 이는 저차원계 물리에 대한 우리의 이해를 넓혀주고 있으며, 특히 점점 소형화, 집적화되고 있는 전자소자의 개발에도 매우 중요하다. 이러한 저차원계 물질 중에서 최근 가장 각광 받는 물질은 그래핀이다. 그래핀은 원자 하나의 두께를 (0.35 나노미터) 갖는 이차원 물질로 탄소원자들이 벌집모양의 구조를 이루고 있다. 그래핀이 이렇게 폭발적인 관심을 갖게 된 것은 그 특이한 밴드 구조와 응용 가능성 때문이다. 그래핀은 페르미 에너지 근처에서 에너지가 모멘텀에 비례하는 특이한 밴드 구조를 가지고 있으며, 이 때문에 기존의 물질들에서는 볼 수 없었던 특이한 특성들을 보여주게 된다. 특히, 이 밴드 구조는 광자의 그것과 비슷하기 때문에 고체 물질에서도 상대론적 양자역학에 관한 연구가 가능하다. 또한 이 특이한 밴드 구조와 이차원 구조체는 그래핀이 높은 전도도와 열전도도, 강한 기계적 성질을 가질 수 있게 한다. 그래핀은 여러 조건에서도 안정한 물질이고, 그 특성이 화학적이나 전기적으로 쉽게 바뀌어질 수 있기 때문에, 미래 반도체 소자나 플렉서블 디스플레이, 센서나 열 소자로써의 응용가능성이 많은 물질이다. 본 논문은 그래핀과 두 층 그래핀의 전기적, 그리고 열전기적 특성을 연구한 내용을 담고 있으며 크게 네 가지 주제에 관한 연구가 진행되었다. 첫 번째 파트에서는 두 층 그래핀의 전기적 그리고 열전기적 특성에 관한 연구를 다루고 있다. 열전효과는 어떤 물질 양 끝에 온도 차가 생겼을 때 전압이 발생하거나 전류가 흐르게 되는 현상으로 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있기 때문에 에너지 소자 개발측면에서 매우 중요한 현상이다. 본 연구의 결과에 의하면 두 층 그래핀에서 열전효과의 최대 크기는 상온에서 대략 ~100μV/K 정도의 크기로 온도가 증가함에 따라 그 크기가 증가하며, 전하의 종류와 그 양에 따라 열전전압의 크기와 부호가 바뀌는 것을 관측하였다. 열전효과의 게이트 전압 의존성은 게이트 전압에 따른 전도도 변화와 밀접하게 관련이 되어있으며, Mott relation을 이용한 설명을 통해 두 층 그래핀이 hyperbolic한 밴드 구조를 갖는다는 것을 확인하였다. 또한 높은 자기장 내에서의 열전효과를 측정하였고, 이차원 물질에서 예상되는 자기열전효과를 관측하였다. 두 번째 파트에서는 한 층 그래핀이 양자 홀 상태에 있을 때 전자에 의한 열전도 특성을 측정하였다. 그래핀이 양자 홀 상태에 있을 때 홀저항은 4h/e^2 (N+1/2)의 값으로 양자화되는데, 이를 통해 전기 저항 표준기를 개발할 수 있다. 하지만, 불순물과 온도와 관계없이 관측되는 양자 홀 저항 때문에 양자 홀 상태에 존재하는 전자들이 주변 환경과 어떻게 상호작용하는지는 일반적인 전도도 측정으로는 알기가 어렵다. 본 연구에서는 양자 홀 상태에 있는 전자에 의해 일어나는 열전도 현상을 측정하였다. 측정 결과 전하에 의해 전달되는 열은 그래핀의 가장자리에만 존재하며 전달되는 방향은 자기장의 방향과 전하의 종류에 의해서 결정된다는 것을 관측하였다. 또 전달된 열에 의해 발생하는 열전효과는 Mott relation에 따라 전기 전도도와 상호 연관되어 있음을 관측하였다. 특히 전하에 의해 전달되는 열은 전달되는 거리가 늘어남에 따라 그 크기가 줄어든다는 것을 관측하였으며, 이것은 양자 홀 상태에 있는 전하들이 주변의 격자나 불순물에 의해 만들어진 localized states들과 서로 상호작용하고 있음을 보여주는 결과이다. 세 번째 파트에서는 두 층 그래핀에서 격자와 전자 사이의 열 전달과 그로 인한 전기 전도도의 변화에 관한 연구를 다루고 있다. 그래핀은 격자와 전자 사이의 열저항이 매우 큰 물질로 작은 전류를 흘려주어도 쉽게 전자의 온도를 격자의 온도보다 높게 만들 수 있다. 특히 두 층 그래핀의 경우 전기 전도도가 전자의 온도 변화에 민감하기 때문에 이와 같은 성질을 광 센서로 응용하려는 노력이 진행 중이다. 물리적으로도 전기 전도도의 온도변화는 불순물에 영향을 많이 받기 때문에, 열 전달에 관한 연구는 그래핀에서의 격자-전자 간의 상호작용을 연구하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 두 층 그래핀에 흐르는 전류로 열을 발생시켜 전자온도를 상승시킨 뒤, 증가한 전자 온도와 그에 따른 전기 전도도의 변화를 측정하였다. 측정 결과 전자의 highly doped regime에서 전자 온도는 가해준 열의 네 제곱에 비례하여 증가하였으며 측정을 통해 변형 퍼텐셜결합 상수를 측정할 수 있었다. 이에 반해 low doped regime에서는 전자 온도에 따라 power exponent의 값이 변화하였다. 이는 두 층 그래핀에서의 supercollision cooling과 관련이 있을 수 있다. 마지막으로 네 번째 파트에서는 실리콘 기판에 미리 만들어 놓은 poly-silicon gate를 이용해서 구현한 그래핀 pnp 접합 소자의 양자 전도
지난 수십 년간, 수 많은 물질들이 합성되고 발견되어 왔다. 그리고 그 물질들의 전기적, 열적 특성을 알기 위해 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이를 통해 고체 물질에 대해 더 폭넓은 이해를 할 수 있게 되었다. 최근에는 특히 나노 및 마이크로 사이즈에서의 물질 특성 연구가 활발히 진행되고 있는데 이는 저차원계 물리에 대한 우리의 이해를 넓혀주고 있으며, 특히 점점 소형화, 집적화되고 있는 전자소자의 개발에도 매우 중요하다. 이러한 저차원계 물질 중에서 최근 가장 각광 받는 물질은 그래핀이다. 그래핀은 원자 하나의 두께를 (0.35 나노미터) 갖는 이차원 물질로 탄소원자들이 벌집모양의 구조를 이루고 있다. 그래핀이 이렇게 폭발적인 관심을 갖게 된 것은 그 특이한 밴드 구조와 응용 가능성 때문이다. 그래핀은 페르미 에너지 근처에서 에너지가 모멘텀에 비례하는 특이한 밴드 구조를 가지고 있으며, 이 때문에 기존의 물질들에서는 볼 수 없었던 특이한 특성들을 보여주게 된다. 특히, 이 밴드 구조는 광자의 그것과 비슷하기 때문에 고체 물질에서도 상대론적 양자역학에 관한 연구가 가능하다. 또한 이 특이한 밴드 구조와 이차원 구조체는 그래핀이 높은 전도도와 열전도도, 강한 기계적 성질을 가질 수 있게 한다. 그래핀은 여러 조건에서도 안정한 물질이고, 그 특성이 화학적이나 전기적으로 쉽게 바뀌어질 수 있기 때문에, 미래 반도체 소자나 플렉서블 디스플레이, 센서나 열 소자로써의 응용가능성이 많은 물질이다. 본 논문은 그래핀과 두 층 그래핀의 전기적, 그리고 열전기적 특성을 연구한 내용을 담고 있으며 크게 네 가지 주제에 관한 연구가 진행되었다. 첫 번째 파트에서는 두 층 그래핀의 전기적 그리고 열전기적 특성에 관한 연구를 다루고 있다. 열전효과는 어떤 물질 양 끝에 온도 차가 생겼을 때 전압이 발생하거나 전류가 흐르게 되는 현상으로 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있기 때문에 에너지 소자 개발측면에서 매우 중요한 현상이다. 본 연구의 결과에 의하면 두 층 그래핀에서 열전효과의 최대 크기는 상온에서 대략 ~100μV/K 정도의 크기로 온도가 증가함에 따라 그 크기가 증가하며, 전하의 종류와 그 양에 따라 열전전압의 크기와 부호가 바뀌는 것을 관측하였다. 열전효과의 게이트 전압 의존성은 게이트 전압에 따른 전도도 변화와 밀접하게 관련이 되어있으며, Mott relation을 이용한 설명을 통해 두 층 그래핀이 hyperbolic한 밴드 구조를 갖는다는 것을 확인하였다. 또한 높은 자기장 내에서의 열전효과를 측정하였고, 이차원 물질에서 예상되는 자기열전효과를 관측하였다. 두 번째 파트에서는 한 층 그래핀이 양자 홀 상태에 있을 때 전자에 의한 열전도 특성을 측정하였다. 그래핀이 양자 홀 상태에 있을 때 홀저항은 4h/e^2 (N+1/2)의 값으로 양자화되는데, 이를 통해 전기 저항 표준기를 개발할 수 있다. 하지만, 불순물과 온도와 관계없이 관측되는 양자 홀 저항 때문에 양자 홀 상태에 존재하는 전자들이 주변 환경과 어떻게 상호작용하는지는 일반적인 전도도 측정으로는 알기가 어렵다. 본 연구에서는 양자 홀 상태에 있는 전자에 의해 일어나는 열전도 현상을 측정하였다. 측정 결과 전하에 의해 전달되는 열은 그래핀의 가장자리에만 존재하며 전달되는 방향은 자기장의 방향과 전하의 종류에 의해서 결정된다는 것을 관측하였다. 또 전달된 열에 의해 발생하는 열전효과는 Mott relation에 따라 전기 전도도와 상호 연관되어 있음을 관측하였다. 특히 전하에 의해 전달되는 열은 전달되는 거리가 늘어남에 따라 그 크기가 줄어든다는 것을 관측하였으며, 이것은 양자 홀 상태에 있는 전하들이 주변의 격자나 불순물에 의해 만들어진 localized states들과 서로 상호작용하고 있음을 보여주는 결과이다. 세 번째 파트에서는 두 층 그래핀에서 격자와 전자 사이의 열 전달과 그로 인한 전기 전도도의 변화에 관한 연구를 다루고 있다. 그래핀은 격자와 전자 사이의 열저항이 매우 큰 물질로 작은 전류를 흘려주어도 쉽게 전자의 온도를 격자의 온도보다 높게 만들 수 있다. 특히 두 층 그래핀의 경우 전기 전도도가 전자의 온도 변화에 민감하기 때문에 이와 같은 성질을 광 센서로 응용하려는 노력이 진행 중이다. 물리적으로도 전기 전도도의 온도변화는 불순물에 영향을 많이 받기 때문에, 열 전달에 관한 연구는 그래핀에서의 격자-전자 간의 상호작용을 연구하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 두 층 그래핀에 흐르는 전류로 열을 발생시켜 전자온도를 상승시킨 뒤, 증가한 전자 온도와 그에 따른 전기 전도도의 변화를 측정하였다. 측정 결과 전자의 highly doped regime에서 전자 온도는 가해준 열의 네 제곱에 비례하여 증가하였으며 측정을 통해 변형 퍼텐셜 결합 상수를 측정할 수 있었다. 이에 반해 low doped regime에서는 전자 온도에 따라 power exponent의 값이 변화하였다. 이는 두 층 그래핀에서의 supercollision cooling과 관련이 있을 수 있다. 마지막으로 네 번째 파트에서는 실리콘 기판에 미리 만들어 놓은 poly-silicon gate를 이용해서 구현한 그래핀 pnp 접합 소자의 양자 전도
For decades, numerous novel materials have been synthesized and discovered. Among these materials, graphene, one atomic layer of carbon atoms, has attracted a great deal of attention due to its unique band structure and possible future applications. Graphene has linear dispersion relation which enab...
For decades, numerous novel materials have been synthesized and discovered. Among these materials, graphene, one atomic layer of carbon atoms, has attracted a great deal of attention due to its unique band structure and possible future applications. Graphene has linear dispersion relation which enables one to study the relativistic quantum mechanics in solid-state physics with table-top equipment. Also, graphene is considered as a material for next-generation electronics and quantum computing due to its outstanding mechanical, thermal and electrical properties. Thus, investigation of electronic and thermal properties of graphene is important not only for the understanding the electronic structure of Dirac materials, but also for the integration into current semiconductor devices. This thesis describe four experiments that elucidate some interesting electrical and thermo-electrical properties of graphene and its bilayer. Each part contains an introduction, experimental results, and a summary. In the first part, we discuss the thermoelectric transport properties of bilayer graphene. We measure the temperature and gate-voltage dependence of the thermoelectric power in bilayer graphene. Features are properly interpreted based on the semiclassical Motts relation, which leads to the correct dispersion relation, electron-phonon interactions, and the effective dimensionality of bilayer graphene. In distinction from monolayer graphene, we find a deviation from the Mott's relation as well as the saturation of TEP at high temperatures. We confirm that the deviation is due to the low Fermi temperature of the bilayer, which enables one to study TEP in high-temperature limit in this system. In the second part, we discuss the heat transport measurements in monolayer graphene in the integer quantum Hall regime. We inject hot carriers at one location at the edge of the graphene sheet, and its transport is observed by measuring the thermoelectric signal using a detector placed at a distance from the injector. Our measurements show that quantum Hall edge current is concentrated at the edge and is chiral dependent on the carrier type and the magnetic field direction. Also, we show that the thermoelectric signal and the electrical conductance is well correlated as predicted by the Mott relation. Finally, we estimate the partial heat loss during edge state propagation by using the spatial confinement and directivity of heat. We observe the decay of the thermoelectric signal with distance, possibly due to the coupling between charge carriers in the edge channels and various carrier-thermalization factors, such as phonons or localized states in bulk graphene. In the third part, we discuss the heat transfer rate between electrons and acoustic phonons in bilayer graphene. At low temperatures, the electron gas in bilayer graphene becomes easily decoupled from phonons or the lattice vibration. In high bias, the electron temperature becomes considerably higher than that of phonons. In this work, we investigate the electron-phonon heat transfer rate in bilayer graphene by measuring the electron temperature as a function of the applied Joule heating power. For thermometry of the electron temperature, we used the amplitude of Shubnikov-de Haas oscillations in high magnetic fields and the temperature dependent conductivity of bilayer graphene in zero magnetic field. In highly doped regime, the carrier heat-loss rate shows a T^4 dependence as expected for the deformation-potential coupling in two-dimensional system. Near the charge neutrality point, however, electron-phonon heat transfer rate shows a different dependence on the electron temperature, which may be related to the Bloch-Gru ̈neisen behavior in bilayer graphene. In the final part, we discuss a new method of fabricating graphene pnp junctions. By embedding pre-patterned local gates in a substrate, we are able to obtain high-quality pnp junctions with neither dielectric-layer deposition nor electron-beam exposure of the graphene sheet. We achieved ballistic and phase-coherent carrier transport in a graphene pnp device with a 130-nm-wide local gate, which is almost an order magnitude wider than reported previously. Quantitative analysis using the Landauer formula explains the observed conductance oscillation well and shows that the mobility is not degraded in the local-gate region (LGR). In a high magnetic field, another device with a 1 μm-wide local gate exhibited the 2e^2/h quantum-Hall (QH) plateau, indicating no backscattering in the LGR. The conductance across our pnp junctions shows a gate-voltage dependence that is very distinctive from that of top-gated junctions, indicating a strong screening of the electric field by the embedded local gate.
For decades, numerous novel materials have been synthesized and discovered. Among these materials, graphene, one atomic layer of carbon atoms, has attracted a great deal of attention due to its unique band structure and possible future applications. Graphene has linear dispersion relation which enables one to study the relativistic quantum mechanics in solid-state physics with table-top equipment. Also, graphene is considered as a material for next-generation electronics and quantum computing due to its outstanding mechanical, thermal and electrical properties. Thus, investigation of electronic and thermal properties of graphene is important not only for the understanding the electronic structure of Dirac materials, but also for the integration into current semiconductor devices. This thesis describe four experiments that elucidate some interesting electrical and thermo-electrical properties of graphene and its bilayer. Each part contains an introduction, experimental results, and a summary. In the first part, we discuss the thermoelectric transport properties of bilayer graphene. We measure the temperature and gate-voltage dependence of the thermoelectric power in bilayer graphene. Features are properly interpreted based on the semiclassical Motts relation, which leads to the correct dispersion relation, electron-phonon interactions, and the effective dimensionality of bilayer graphene. In distinction from monolayer graphene, we find a deviation from the Mott's relation as well as the saturation of TEP at high temperatures. We confirm that the deviation is due to the low Fermi temperature of the bilayer, which enables one to study TEP in high-temperature limit in this system. In the second part, we discuss the heat transport measurements in monolayer graphene in the integer quantum Hall regime. We inject hot carriers at one location at the edge of the graphene sheet, and its transport is observed by measuring the thermoelectric signal using a detector placed at a distance from the injector. Our measurements show that quantum Hall edge current is concentrated at the edge and is chiral dependent on the carrier type and the magnetic field direction. Also, we show that the thermoelectric signal and the electrical conductance is well correlated as predicted by the Mott relation. Finally, we estimate the partial heat loss during edge state propagation by using the spatial confinement and directivity of heat. We observe the decay of the thermoelectric signal with distance, possibly due to the coupling between charge carriers in the edge channels and various carrier-thermalization factors, such as phonons or localized states in bulk graphene. In the third part, we discuss the heat transfer rate between electrons and acoustic phonons in bilayer graphene. At low temperatures, the electron gas in bilayer graphene becomes easily decoupled from phonons or the lattice vibration. In high bias, the electron temperature becomes considerably higher than that of phonons. In this work, we investigate the electron-phonon heat transfer rate in bilayer graphene by measuring the electron temperature as a function of the applied Joule heating power. For thermometry of the electron temperature, we used the amplitude of Shubnikov-de Haas oscillations in high magnetic fields and the temperature dependent conductivity of bilayer graphene in zero magnetic field. In highly doped regime, the carrier heat-loss rate shows a T^4 dependence as expected for the deformation-potential coupling in two-dimensional system. Near the charge neutrality point, however, electron-phonon heat transfer rate shows a different dependence on the electron temperature, which may be related to the Bloch-Gru ̈neisen behavior in bilayer graphene. In the final part, we discuss a new method of fabricating graphene pnp junctions. By embedding pre-patterned local gates in a substrate, we are able to obtain high-quality pnp junctions with neither dielectric-layer deposition nor electron-beam exposure of the graphene sheet. We achieved ballistic and phase-coherent carrier transport in a graphene pnp device with a 130-nm-wide local gate, which is almost an order magnitude wider than reported previously. Quantitative analysis using the Landauer formula explains the observed conductance oscillation well and shows that the mobility is not degraded in the local-gate region (LGR). In a high magnetic field, another device with a 1 μm-wide local gate exhibited the 2e^2/h quantum-Hall (QH) plateau, indicating no backscattering in the LGR. The conductance across our pnp junctions shows a gate-voltage dependence that is very distinctive from that of top-gated junctions, indicating a strong screening of the electric field by the embedded local gate.
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