Spontaneous symmetry-breaking in trilayer graphene

Winterer, Felix Simon (2021): Spontaneous symmetry-breaking in trilayer graphene. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Multilagen-Graphen besteht aus mehreren atomar dünnen Schichten von Kohlenstoffatomen und weist eine Vielzahl ungewöhnlicher elektrischer Eigenschaften auf. Unter anderem wurde vorhergesagt, dass abhängig von externen elektrischen und magnetischen Feldern und je nach Lagenfolge der einzelnen Kohlenstofflagen der Grundzustand des Systems in einen korrelierten Zustand übergehen kann, der spontan Symmetrien des Systems bricht. Diese Zustände sind aber typischerweise sehr instabil und können nur in hochreinen Proben mit homogener Lagenfolge sichtbar gemacht werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften dieser korrelierten Zustände sowohl in Dreilagen-Graphen mit Bernal-Lagenfolge (ABA) als auch in Dreilagen-Graphen mit rhomboedrischer (ABC) Lagenfolgen genauer untersucht: In ABA Dreilagen-Graphen ist die Bandstruktur stark von externen elektrischen Feldern abhängig und bildet bei stärker werdenden Feldern mehrere zusätzliche Dirac-Kegel um den zentralen Dirac-Punkt der Bandstruktur aus. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass mithilfe elektrischer und magnetischer Felder die Elektron-Elektron Wechselwirkung innerhalb der Dirac-Kegel verstärkt werden kann, bis der Grundzustand kontrolliert in einen korrelierten Zustand übergeht, der die Rotationssymmetrie des Systems spontan bricht. Anders verhält es sich in ABC Dreilagen-Graphen, dessen elektrische Struktur eine starke Berry-Krümmung und chirale Quasiteilchen aufweist. Als Folge davon wurde unter anderem vorhergesagt, dass bei verschwindender Ladungsträgerdichte mehrere spontane Quanten-Hall-Zustände auftreten können, die die chirale Symmetrie des Systems brechen. Messungen der Magnetotransporteigenschaften bei verschiedenen elektrischen und magnetischen Felder lassen ein vielfältiges Phasendiagramm der Quanten-Hall-Zustände erkennen, dass sogar Zustände mit intrinsischem orbitalem magnetischem Moment und Hall-Leitfähigkeit beinhaltet. Diese Erkenntnisse tragen zum tieferen Verständnis der korrelierten Zustände in Multilagen-Graphen und der Wechselwirkung von Ladungsträgern in zweidimensionalen Materialien bei. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Ladungstransport in anorganischen Halogenid-Perowskit Nanodrähten untersucht. Halogenid-Perowskit Materialien haben aufgrund ihrer außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften bereits vielfach Anwendung als Basismaterial für Solarzellen und Photodetektoren gefunden. In diesem Teil der Arbeit wird der Ladungstransport in Feldeffekt-Transistoren mit CsPbBr3 Perowskit Nanodrähten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht. Es wird gezeigt, dass ohne Beleuchtung der Probe der Ladungstransport stark von tiefen Fallzuständen dominiert wird und bei niedrigen Temperaturen komplett ausfriert. Wenn die Probe jedoch beleuchtet wird, steigt die Mobilität der Ladungsträger stark an und wird bei niedrigen Temperaturen nur von der Phononenstreuung limitiert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Defekt-Toleranz, die häufig mit Perowskit-Materialien in Verbindung gebracht wird und liefern neue Einsichten in die elektrischen Fallenzustände in CsPbBr3 Perowskit-Nanodrähten.

Abstract

In recent years, multilayer graphene, a stack of several atomically thin layers of carbon atoms, has attracted growing interest due to its intriguing electronic properties and exceptional tunability. Depending on its stacking order, multilayer graphene has been predicted to be susceptible to a variety of correlated broken-symmetry ground states that can be accessed and explored upon appropriate tuning of its electronic structure via electrostatic gating and magnetic fields. However, in order to reveal these fragile states, excellent device quality and stacking order homogeneity are prerequisite. In this thesis, magnetotransport in Bernal-stacked (ABA) trilayer graphene encapsulated in hexagonal boron nitride as well as suspended rhombohedral (ABC) trilayer graphene is investigated. Depending on the stacking order, two families of correlated states that spontaneously break symmetries of the system are observed. In ABA trilayer graphene, external electric fields strongly deform the band structure and lead to the emergence of multiple off-center Dirac points (Dirac gullies). It is demonstrated that electric and magnetic fields can be used as tuning parameters to enhance electron-electron interactions within these Dirac gullies. At appropriate tuning, magnetotransport maps indicate the emergence of a new correlated ground state that spontaneously breaks the rotational symmetry of the system. In contrast, ABC trilayer graphene hosts chiral quasi-particles that exhibit a non-zero Berry phase when encircling one of the valleys of its band structure. It has been shown, that ABC trilayer graphene is susceptible to spontaneous chiral symmetry breaking due to its flat band structure at charge neutrality. Indeed, transport measurements demonstrate the emergence of several spontaneous quantum Hall phases that are driven by a giant Berry curvature. Mapping magnetostransport as a function of electric and magnetic fields reveals a rich phase diagram including states with non-zero orbital momentum and Hall conductivity. The findings of this thesis provide novel insights into the world correlated phases in multilayer graphene and interaction physics in two dimensions. In a second part of this thesis, charge transport in all-inorganic halide perovskite nanowires is investigated. In recent years, halide perovskites have emerged as promising novel materials for optoelectronic applications due to their large absorption coefficient and exceptional charge carrier lifetime. Yet, although the optical properties have been studied intensely, charge transport mechanisms and the influence of traps still remains elusive. In this thesis, temperature dependent charge transport in CsPbBr3 nanowire field-effect transistors is investigated. It is shown, that charge transport in the dark is dominated by deep traps and freezes out at low temperatures. However, illuminating the sample increases the mobility several orders of magnitude revealing even phonon-limited transport characteristics. These findings highlight and extend the notion of “defect-tolerance” of perovskite materials and provide novel insights into defect states in CsPbBr3 nanowires.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 19. April 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Weitz, Thomas