Herstellung lateraler Moiré-Übergitter auf der Basis von Graphen/h-BN-Heterostrukturen für Untersuchungen mittels zeitaufgelöster Terahertz-Spektroskopie
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Kleinprojektes war die Etablierung einer Kooperation mit der Gruppe von Dr. Juan Delgado Notario an der Universität Salamanca zum Zweck der Untersuchung von THz-Feldeffekttransistoren, deren Kernelement eine Graphen-Monolage auf h-BN (h-BN: hexagonales Bornitrid) ist. Die spanische Gruppe hat die Herstellungstechnik für solche GFET-Bauelelemnte perfektioniert. Dieses Projekt erlaubte es uns, einen Studenten nach Salamanca zu entsenden, um mit der Gruppe dort Baulemente für erste Testmessungen herzustellen und damit die Grundlagen für die jetzt fortgesetzte Kooperation zu legen. Eine Monolage von kristallinem Graphen, aufgebracht auf eine Multilagenschicht von kristallinem hexagonalem Bornitrid (h-BN), bildet aufgrund einer geringfügigen Gitterfehlanpassung zu h-BN ein großflächiges Moiré-Muster mit einer räumlichen Periode von etwa 14 nm aus, wenn die Kristallachsen der beiden Materialien parallel zueinander ausgerichtet werden. Dies führt zur Ausbildung eines hexagonalen Potentials, in dem sich die Elektronen des Graphens bewegen, und damit zur Ausbildung einer modifizierten Bandstruktur, die zur Ausprägung ungewöhnlicher Transportphänomene Anlass gibt. Ein Ziel unseres Vorhabens war und ist die Beobachtung von Bloch-Ozsillationen (BOs) nach Anregung elektronischer Wellenpakete mittels ultrakurzer THz-Pulse. Dieses Ziele haben wir derzeit noch nicht erreicht. Ein weiteres Ziel, für das das Vorliegen eines Moiré-Effektes nicht notwendig ist, konnte dagegen erfolgreich ereicht werden: Die erstmalige direkte Beobachtung des Durchlaufens von Plasmawellen durch den kompletten Kanal eines GFETs. Der Student erlernte in Salamanca die Herstellungstechnik für diese speziellen GFETs, beginnend von der Exfoliation über das trockene Übertragen der Schichten bis hin zur Elektronenstrahllithographie mit Trockenätzen zur Strukturierung der van der Waals-Materialien. Zwei Bauelemente, beide ausgestattet mit Bow-tie-Antennen zur Einkopplung der THz-Strahlung, wurden hergestellt, eines davon optimiert für die Beobachtung von Plasmawellen, das andere für die Detektion von BOs. Mit ersterem konnten wir mittels s-SNOM-Messungen am NanoGune Forschungszentrum in San Sebastian direkt die Propagation von Plasmawellen durch den gesamten, mehr als 2 µm langen GFET-Kanal beobachten und fanden bei Detailstudien bei 2.52 THz, dass sich Stehwellen am Kanalende herausbilden, weil die Wellen dort fast vollständig reflektiert werden. Mit dem anderen Bauelement suchten wir mit Transmissionsmessungen mit THz-Pulsen nach BOs. Allerdings hatten Strom-Spannungsmesssungen zuvor keine Hinweise auf das Vorliegen eines Moiré-Übergitters ergeben. Die THz-Messungen erlaubten uns den Test einer neuen LiNbO3-Quelle für THz-Pulse und die Optimierung der THz-Strahleinkopplung für weiterführende Experimente zu BOs in naher Zukunft mit neu gefertigten Bauelementen.
