Transport properties of electrolyte gated graphene devices

Abstract

Graphene is a single layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. It is the building block of graphite. The latter is made out of weakly coupled (van der Waals force) graphene layers stacked one on the other. Graphene was isolated in 2004 through micro-mechanical cleavage of graphite. The interaction between lattice and charge carriers produces a linear electronic dispersion relation. Therefore, the charge carriers in graphene mimic chiral particles with zero mass. Many interesting physical properties were shown in graphene including room temperature integer quantum Hall effect, fractional quantum Hall effect, high temperature ballistic transport, and Hofstadter's butterfly. Superconductivity is predicted in graphene at extremely high carrier concentrations, but it has never been experimentally proven. Electrolyte gating allows inducing high charge carrier concentration in a wide range of materials. These achievable densities are one order of magnitude lower than chemical doping, but two orders of magnitude higher than classic solid gating. Contrary to chemical doping, electric field induced charges do not affect the crystal structure of the studied material. In multilayer graphene also intercalation of ions in between the graphene planes is conceivable in electrolyte gated devices. It causes changes in the physical properties of graphene.

Graphen ist eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Es ist der Grundbaustein von Graphit, das aus schwach gebundenen, übereinander geschichteten Graphenlagen besteht. Graphen wurde 2004 durch mikromechanischer Exfolierung von Graphit isoliert. Die Wechselwirkung zwischen Kristallgitter und Ladungsträgern führt zu einer linearen Dispersionsrelation der Elektronen. Daher verhalten sich die Ladungsträger in Graphen wie masselose, chirale Teilchen. Viele interessante physikalische Phänomene wurden in Graphen beobachtet, wie zum Beispiel der ganzzahlige Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur, der fraktionale Quanten-Hall-Effekt, der ballistische Transport bei hohen Temperaturen und auch der Hofstadter-Schmetterling. Die Existenz von Supraleitung in Graphen wurde für sehr hohe Ladungsträgerdichten vorhergesagt, konnte aber bislang nicht experimentell verifiziert werden. Solch hohe Ladungsträgerdichten konnten in verschiedenen Materialien mittels Feldeffekt unter Verwendung eines Elektrolyten induziert werden. Die dabei erreichten Dichten sind eine Größenordnung kleiner als bei chemischer Dotierung, jedoch zwei Größenordnungen größer als bei Verwendung einer klassischen Gate-Elektrode. Im Gegensatz zur chemischen Dotierung beeinflusst die Ladungserhöhung mittels elektrischen Feldes nicht die Kristallstruktur der untersuchten Materialien. Wird zu diesem Zweck ein Elektrolyt verwendet, so kann es allerdings zu Interkalation von Ionen zwischen den Graphenschichten kommen. Dies bewirkt Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften von Graphen.