Electronic and optical properties of graphene and large-scale graphene nanodevices

Abstract

Graphen, eine Monolage von Kohlenstoffatomen mit der Gitterstruktur einer Bienenwabe, hat außergewöhnliche elektronische Eigenschaften, die es für zukünftiger Elektronikanwendungen sehr interessant machen. Allerdings hat Graphen keine Bandlücke, die für die Anwendung in logischen Schaltungen entscheidend ist. Elektronentransport durch Graphen ist sehr empfindlich gegenüber Defekten der Kristallstruktur am Rand und im Inneren der Monolage. Diese reduzieren die Mobilität der Elektronen. Neue Substate, wie hexagonales Bornitrid, reduzieren die Anzahl der Defekte im Inneren von Graphen und induzieren auch eine Bandlücke von etwa 40 meV. Verbesserte Probenqualität und optimierte Substrate verringern Defecte im Inneren. Daher dominieren nun Randdefekte den Elektronentransport. Diese Arbeit zielt darauf ab, realistische Graphen-Nanostructuren zu simulieren und theoretische Studien aktueller Experimente mit Graphen bereitzustellen. Wir untersuchen: (i) Eigenschaften des Elektronentransports durch Graphen-Nanostructuren; (ii) elektronische und optische Eigenschaften von Graphen auf hexagonalem Bornitrid; und (iii) nicht-lineare optische Eigenschaften von Graphen. Insbesondere finden wir, dass die Leitfähigkeit von Graphen-Nanostructuren die Physik an den Rändern der Strukturen widerspiegelt. Durch Messung der Leitfähigkeit kann die Zustandsdichte lokalisierter Randzustände gefunden werden. Wir zeigen auch, dass neue Substrate die Bandstruktur von Graphen ändern können. Die Substrate führen zu einer kleinen Bandlücke am Diracpunkt und zu Mini-Bandlücken oberhalb und unterhalb des Diracpunkts. Die Zustandsdichte von Graphen im Magnetfeld mit einem zusätzlichen Substratpotenzial kann durch magneto-optische Spectroskopie analysiert werden. Darüberhinaus zeigt Graphen starke nichtlineare Effekte im THz Bereich aufgrund seiner linearen Energiedispersion. Diese Eigenschaften haben eine große Bedeutung für den Bau von THz Lasern und Detektoren. Wir zeigen, dass Graphen unter Belichtung mit THz Laserpulsen high-harmonic (HHG) Strahlung bilden kann. Die HHG Spektren von Graphen ähneln deren in Gasen.

Graphene, a one-atom thin honeycomb lattice of carbon, has exceptional electronic properties making it a prime candidate for future electronic applications. However, graphene has no band gap which is essential for building logical circuits, and electronic transport is highly sensitive to the edge or (substrate-induced) bulk disorder reducing carrier mobility. In an attempt to overcome these issues, new substrates such as hexagonal boron nitride have proven to reduce the bulk disorder in graphene and even to open a small band gap of 40 meV. Although new substrates help to reduce bulk disorder, electronic transport is still affected by edge roughness and the surrounding chemical environment. The thesis aims to simulate realistic graphene devices and to provide a theoretical study of several recent experiments performed with graphene. It addresses: (i) electron transport properties of graphene nanoconstrictions; (ii) electronic and optical properties of graphene on hexagonal boron nitride; and (iii) the nonlinear optical response of graphene. In particular, we predict that the conductance of small graphene nanodevices can probe the physics at the edges of the device by extracting the density of localized or trapped edge states from the conductance trace measurements. We also show that new substrates may modify the bandstructure of graphene by opening a small band gap and by creating mini-gaps above and below the Dirac cone. The density of states of graphene with an additional substrate potential in the magnetic field can be probed by optical magneto-spectroscopy. Furthermore, due to its linear energy dispersion, graphene demonstrates strong nonlinear response in the THz range highlighting its importance for building THz lasers and detectors. We also prove that graphene can form high-harmonic generation (HHG) spectra under the application of THz laser pulses similar to the HHG in gases.