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INSA de Toulouse (22/07/2011), Michel Goiran (Dir.)
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Étude des propriétés électroniques du graphène et des matériaux à base de graphène sous champs magnétiques intenses
Jean-Marie Poumirol1, 2

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nano rubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration " armchair " du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couches de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhomboédrique des trois couches de graphène constituant l'échantillon.
1:  Université de Toulouse
2:  LNCMI - Laboratoire national des champs magnétiques intenses - Toulouse
Graphène – Graphène bi-couches – Graphène tri-couches – Nano-rubans de graphène – champ magnétique intense – Niveaux de Landau – Effet Hall Quantique – Transport quantique

Electronic properties of graphene and graphene-based devices under intense magnetic field
This thesis presents transport measurement on two-dimensional and uni-dimensional graphene-based systems under pulsed magnetic field (60T). The objective of this work is to probe the dynamics of charge carriers by changing the density of states of the system by applying a magnetic field. The first part is devoted to the study of the influence of electron-hole pockets on the transport properties of graphene near the charge neutrality point. We found the appearance of fluctuations in the magnetoresistance due to the progressive transition of the electrons/holes puddles of finite size in the quantum regime when the magnetic field increases. We have also shown that the variation of the Fermi energy, due to the increase of orbital Landau levels degeneracy, is directly responsible of a change in the electrons and holes ratio. The second part is devoted to the study of graphene nanoribbons, we explored two different width range. In the broad ribbons (W> 60 nm), quantification of the resistance is observed, revealing a clear signature of the quantization of the energy spectrum into Landau levels. We show for the first time the valley degeneracy lifting induce by the magnetic confinement of charge carriers at the edges of armchair nanoribbons. For narrower ribbons (W <30 nm) in presence of edge defects and charged impurities, the progressive formation of chiral edge states leads to a positive magneto-conductance whatever the carrier density. The last part deals with the magneto-transport in multi-sheet graphene. We observed the quantum Hall effect in tri-layer graphene. A comparative study of experimental results with numerical simulations was used to determine the rhombohedral stacking of three layers of graphene in the sample.
Graphene – Bilayer graphene – Trilayer graphene – Nanoribbon – High Magnetic field – Landau Level – Quantum Hall effect – quantum transport

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