Strain control over macroscopic quantum states in two-dimensional heterostructures
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden elektromechanische Systeme und durchstimmbare mechanische Resonatoren mit integrierten 2D-Materialien (wie Graphen und hexagonales Bornitrid) untersucht. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Kopplung mechanischer und elektrischer Freiheitsgrade in 2D-Materialien besser zu verstehen und ihr Potenzial für künftige elektromechanische Sensoren und für durchstimmbare Bauelemente in quantenelektronischen Schaltkreisen zu bewerten. Insbesondere wurde im Rahmen des Projekts eine neuartige Technologie zur Integration von elektrisch kontaktiertem Graphen in Silizium-basierten lateralen kapazitiven Aktuatoren entwickelt und deren Funktion als Kopplungselement und Bewegungsdetektor nachgewiesen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass durch die Verkapselung von Graphen in ultradünnen hexagonalen Bornitridkristallen eine Membrane hergestellt werden kann die dank ballistischen Elektronentransports eine sehr geringe (elektro-)mechanische Dämpfung (Q-faktoren von über eine Million) aufweist und gleichzeitig eine hohe Frequenzdurchstimmbarkeit ermöglicht. Somit gelang es einen mechanischen Resonator auf Graphenbasis mit der weltweit höchsten Güte zu bauen. Zudem untersuchten wir die Abstimmbarkeit der Phononenpolarisation in uniaxial gedehntem Graphen durch Magneto-Phonon-Resonanzen. Die uniaxiale Dehnung von Graphen hebt die Entartung der logitudinal- und transveral-optischen Phononen auf, was zu zwei kreuzlinear polarisierten Phononenmoden und einer Aufspaltung des Raman-G-Peaks führt. Wir nutzten die starke Elektron-Phonon-Kopplung in Graphen und die nichtresonante Kopplung an eine Magnet-Phonon-Resonanz, um einen elektrostatisch durchstimmbaren zirkulären Phononendichroismus zu induzieren. Dies ermöglicht eine noch nie dagewesene elektrostatische Kontrolle über den Drehimpuls der Phononen, was den Weg zu phononischen Anwendungen ebnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt wichtige prozesstechnische Entwicklungsschritte sowie wichtige Erkenntnisse für künftige elektromechanische Bauelemente auf der Basis von 2D-Materialien, einschließlich möglicher Sensoren, geliefert hat.
Publications
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Engineering Tunable Strain Fields in Suspended Graphene by Microelectromechanical Systems. 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII), 266-269. IEEE.
Sonntag, Jens; Goldsche, Matthias; Khodkov, Tymofiy; Verbiest, Gerard; Reichardt, Sven; von den Driesch, Nils; Buca, Dan & Stampfer, Christoph
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Dynamics of 2D material membranes. 2D Materials, 8(4), 042001.
Steeneken, Peter G.; Dolleman, Robin J.; Davidovikj, Dejan; Alijani, Farbod & van, der Zant Herre S. J.
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Electrical Control over Phonon Polarization in Strained Graphene. Nano Letters, 21(7), 2898-2904.
Sonntag, Jens; Reichardt, Sven; Beschoten, Bernd & Stampfer, Christoph
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Tunable coupling of two mechanical resonators by a graphene membrane. 2D Materials, 8(3), 035039.
Verbiest, G. J.; Goldsche, M.; Sonntag, J.; Khodkov, T.; von den Driesch, N.; Buca, D. & Stampfer, C.
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2D materials for future heterogeneous electronics. Nature Communications, 13(1).
Lemme, Max C.; Akinwande, Deji; Huyghebaert, Cedric & Stampfer, Christoph
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Raman imaging of twist angle variations in twisted bilayer graphene at intermediate angles. 2D Materials, 9(4), 045009.
Schäpers, A.; Sonntag, J.; Valerius, L.; Pestka, B.; Strasdas, J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Wirtz, L.; Morgenstern, M.; Beschoten, B.; Dolleman, R. J. & Stampfer, C.
