Magnetism of Dirac Fermions and nanostructured graphene

• Antragsteller: Dr. Marc Wilde
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 173361249

Die Ladungsträger in Graphen verhalten sich wie masselose, chirale Dirac-Fermionen, und Graphen zeigt daher faszinierende elektronische Eigenschaften wie unkonventionelle Lokalisierungsphänomene und neue Manifestationen des Quanten-Hall-Effektes. Eine divergierende diamagnetische Suszeptibilität im Limes kleiner Magnetfelder und kleiner Ladungsträgerdichten wurde vorhergesagt. Nanostrukturiertes Graphen sollte magnetische Eigenschaften zeigen, die über die Geometrie der Ränder und Defekte eingestellt werden können.Das Ziel des Projektes ist es, die Magnetisierung und den de Haas-van Alphen-Effekt von Graphen-Einzel- und Doppellagen sowie von Graphen-Nanostrukturen bei tiefen Temperaturen und in Magnetfeldern zu messen. Für diese Aufgabe verwenden wir in unserer Gruppe entwickelte hochempfindliche Mikrocantilever-Magnetometer, da kommerziell verfügbare Magnetometer nicht empfindlich genug sind. Die Magnetisierung M ist eine thermodynamische Zustandsgröße, die bei tiefen Temperaturen direkt den Verlauf der Grundzustandsenergie des Ladungsträgersystems widerspiegelt. Die Messung von M eröffnet daher einen direkten Zugang zur spektralen Form der Zustandsdichte von Graphen im Magnetfeld. Energielücken im Spektrum können direkt gemessen werden. Unter Verwendung der Mikrocantilever-Magnetometer haben wir die Magnetisierung von großflächigem Graphen gemessen, welches entweder mittels CVD (chemical vapor deposition) auf verschiedenen Substraten gewachsen wurde oder durch thermische Zersetzung von SiC hergestellt wurde. Der vorhergesagte de Haas-van Alphen-Effekt wurde aber an solchen Proben bisher weder von unserer Gruppe noch von der weltweiten Forschergemeinschaft in einem Magnetisierungsexperiment beobachtet. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen auf, dass die elektronische Qualität und Homogenität von Graphen auf der Millimeter-Skala weiter verbessert werden muss. Als eine zweite Route haben wir die Voraussetzungen für Nanocantilever-Magnetometrie an Graphenproben mit Abmessungen auf der Mikrometer-Skala geschaffen. Solche Proben können durch mechanisches Exfolieren von Graphit hergestellt werden und weisen eine hohe elektronische Qualität auf. Wir schlagen vor, den de Haas-van Alphen Effekt von exfoliertem Graphen auf hexagonalen Bornitrid-Substraten mit Nanocantilevern zu untersuchen. Gleichzeitig werden wir die jüngsten Fortschritte beim Wachstum von großflächigem Graphen berücksichtigen, indem wir Magnetometrie mit Mikrocantilevern durchführen. Beide experimentellen Ansätze werden wir verwenden, um die magnetischen Eigenschaften von Graphen-Nanostrukturen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1459: Graphene
• Großgeräte: Hochfeld-Magnetkryostat
• Gerätegruppe: 0120 Supraleitende Labormagnete
• Beteiligte Person: Professor Dr. Dirk Grundler