Acousto-electric Transport in Epitaxial Graphene on SiC
Creators: name: Liou, Yi-Ting
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: akustischen Oberflächenwellen
subject: epitaktischem Graphen
subject: SiC
subject: akusto-elektrischen Ströme
subject: surface acoustic waves
subject: epitaxial graphene
subject: acousto-electric currents
subject: 530 Physik

description: In dieser Arbeit wird die elektroakustische Kopplung zwischen Ladungsträgern in Graphen und akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAWs) untersucht. Es werden elektroakustische Bauelemente aus epitaktischem Graphen auf einem SiC-Substraten demonstriert, auf denen eine piezoelektrische ZnO-Schicht abgeschieden wurde, um die Erzeugung und Ausbreitung von SAWs zu verbessern. Eine dünne MgO-Schicht dient zum Schutz des Graphens während der ZnO Sputterbeschichtung. Bei zwei SAW-Moden mit Frequenzen um 2 GHz können wir in Graphen-Baulementen, welche sich im SAW-Ausbreitungsweg befinden, elektroakustische Ströme messen. Ein klassisches Relaxationsmodell der Wechselwirkung zwischen SAWs und den Ladungsträgern eines zweidimensionalen Elektronengases wird zur Erklärung der Ergebnisse herangezogen. Um die akusto-elektrischen Ströme in unseren Graphen-Bauelementen zu erhöhen, verwenden wir zwei Methoden: (1) Verbesserung der elektronischen Eigenschaften von Graphen und (2) Erzeugung starker Spannungsfelder in den Graphen-Bauelementen. Um die elektronischen Eigenschaften von Graphen zu verbessern, verwenden wir eine Methode namens Hydrierung, welche die Grenzfläche zwischen Graphen und dem SiC-Substrat modifiziert. Durch Raman-Charakterisierung belegen wir die Entkopplung von Pufferschicht und SiC-Substrat während des Hydrierungsprozesses, wodurch quasi-freistehendes zweilagiges Graphen mit verbesserten elektronischen Raumtemperatureigenschaften entsteht. Im Hinblick auf die Verstärkung der SAW-Spannungsfelder untersuchen wir die Leistungfähigkeit von interdigitalen Schallwandlern (engl. interdigital transducers, IDTs) mit unterschiedlichen Strukturformen, wie z. B. Splitfinger-IDTs mit Doppelfingern, fokussierende IDTs und tapered-IDTs. Die Oberflächenverschiebung entlang der SAW-Ausbreitungsstrecke wird gemessen, um die Fähigkeit dieser IDT-Strukturformen zu demonstrieren, starke Spannungsfelder in einem begrenzten Bereich anzuregen.
description: This thesis investigates the acousto-electric coupling between charge carriers in graphene and surface acoustic waves (SAWs). Acousto-electric devices based on epitaxial graphene on a SiC substrate are demonstrated, where a piezoelectric ZnO layer is deposited to enhance the SAW generation and propagation. A thin MgO layer is used to protect the graphene during the sputtering of the ZnO layer. By Raman spectroscopy and electronic characterization, we show that the structural and electrical properties of graphene are well preserved after the layer deposition. For two SAW modes with frequencies around 2 GHz, we measure acousto-electric currents in graphene devices placed at the SAW propagation path. A classical relaxation model of the interaction between SAWs and charge carriers in a two-dimensional electron gas is used to explain the results. In order to enhance the acousto-electric currents in our graphene devices, we take approaches in two directions: (1) improving the electronic properties of graphene and (2) exciting strong SAW fields in graphene devices. To improve the electronic properties of graphene, we use a method called hydrogenation to modify the interface between graphene and the SiC substrate. By Raman characterization, we confirm the decoupling of the buffer layer after the hydrogenation process, obtaining quasi-free-standing bilayer graphene with improved electronic properties at room temperature. Regarding the enhancement of the SAW field intensity, we investigate the performance of several types of interdigital transducers (IDTs) such as split-finger IDTs, focusing IDTs and tapered IDTs. Surface displacement along the SAW propagation path is measured to demonstrate the capability of these IDT designs to excite strong SAW fields in a confined area.