Interaction électron-phonon et résonances de spin électronique dans les hétérostructures à base de graphène

Electron-phonon interaction and electron spin resonances in graphene-based Heterostructures

• Auteur / Autrice : Khalid Dinar
• Direction : Benoit Jouault, Frederic Teppe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 26/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Physique Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Cassabois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Teppe FRéDéRIC, Nanot SéBASTIEN, Juliette Mangeney, Matthieu Jamet, Walter Escoffier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Jamet, Walter Escoffier

Mots clés

Mots clés libres

Graphène

Transport électronique

Diffusion par les phonons

Magnéto-photoconductivité térahertz

Résonance de spin électronique

Interaction spin-orbite

Graphene

Electronic transport

Phonon scattering

Terahertz magneto-photoconductivity

Electron spin resonance (ESR)

Spin-orbit interaction

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale des propriétés électroniques du graphène encapsulé par du nitrure de bore hexagonal (h-BN), utilisant des mesures de transport et des techniques de magnéto-photoconductivité. La résistivité dépendante de la température dans le graphène monocouche et bicouche encapsulé par h-BN a été étudiée en fonction de la tension de grille pour un dopage élevé (entre -4 x 10^12 cm^-2 et 5 x 10^12 cm^-2). Nous avons étudié en détail l'influence de la diffusion des électrons par les phonons. Nous avons trouvé des comportements distincts de diffusion par phonons acoustiques dans le graphène monocouche et bicouche. À basse température (inférieure à 100 K), la diffusion est dominée par les phonons acoustiques, avec un paramètre de diffusion indépendant du dopage alpha d'environ 0.05 Ω/K dans la monocouche. Ensuite, pour des températures supérieures à 150K, la diffusion par phonons optiques commence à dominer la dépendance en température de la résistivité à toutes les densités de porteurs dans les deux systèmes. Tous ces résultats sont soutenus par un modèle théorique. Les petites différences entre la théorie et l'expérience sont discutées. Des mesures de magnéto-photoconductivité térahertz dans le graphène monocouche encapsulé par MoS2 et h-BN ont été effectuées à basse température (1.7 K). Cette analyse se concentre sur la Résonance de Spin Électronique Détectée par Phototension (PDESR). Jusqu'à 4 résonances ont été observées. Nous avons d'abord étudié en détail leur dépendance en fréquence, ce qui a donné un facteur g de 1.98. De plus, nous avons déterminé la séparation à champ nul dans le graphène, avec le gap spin-orbite intrinsèque (ISO) ΔI ∼ 45 μeV et la séparation de sous-réseau Δγ ∼ 18 μeV. Nous avons ensuite étudié l'origine de ce PDESR. Nous avons observé une diminution de l'amplitude du signal à l'approche de la condition de résonance de spin électronique (ESR). L'origine du signal PDESR est interprétée comme une diminution de la polarisation de spin du système due à la recombinaison dépendante du spin des photoporteurs, soutenue par la dépendance du signal en fonction de la puissance et du courant injecté.

This thesis presents an experimental study of the electronic properties of graphene encapsulated by hexagonal boron nitride (h-BN), using transport measurements and magnetophotoconductivity techniques. Temperature-dependent resistivity in monolayer and bilayer graphene encapsulated by h-BN was studied as a function of the gate voltage for high doping (−4×10^(12) cm^{−2} < n < 5×10^{12} cm^{−2}). We thoroughly studied the influence of electron scattering by phonons. We found distinct acoustic phonon scattering behaviors in monolayer and bilayer graphene. At low temperature (T < 100 K), scattering is dominated by acoustic phonons, with a doping independent scattering parameter α ∼ 0.05Ω/K in monolayer. Then, for temepratures above 150K, optical phonon scattering starts dominating the temperature dependence of resistivity at any carrier densities in both systems. All these results are supported by a theoretical model. The small discrepancies between theory and experiment are discussed. Terahertz magneto-photoconductivity measurements in monolayer graphene encapsulated by MoS2 and h-BN were performed at low temperature (1.7 K). This analysis focuses on Photovoltage-Detected Electron Spin Resonance (PDESR). Up to 4 split resonances have been observed. We first studied in detail their frequency-dependence, which yielded a g-factor of 1.98. Additionally, we determined the zero-field splitting in graphene, with the intrinsic spin-orbit (ISO) gap ΔI ∼ 45 μeV and sublattice splitting Δγ ∼ 18, μeV. We then investigated the origin of this PDESR. We observed a consistent decrease in signal magnitude as it approaches the electron spin resonance (ESR) condition. The origin of the PDESR signal is interpreted as a decrease in the system’s spin polarization due to spin-dependent recombination of photocarriers, supported by the power and injected current dependence of the signal.