Magnetotransport in novel low-dimensional carbon nanomaterials

Abstract

Several novel low-dimensional carbon nanomaterials, scilicet graphene mono- and bilayers, single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and SWNTs filled with Dy@C82 endohedral metallofullerenes (metallofullerene peapods), were deposited onto Si/SiO2 substrates and provided with metal contacts in order to perform electrical magnetotransport measurements at low temperatures in external magnetic fields of different orientations. The quantum Hall effect was measured for graphene mono- and bilayers, results reported on in literature could be reproduced. As anticipated, mono- and bilayers of graphene did not exhibit significant magnetoresistive effects for in-plane magnetic fields, whereas clear Hall effect signatures were observed for perpendicular, out-of-plane magnetic fields. Within our experimental resolution, we could not identify reproducible differences between empty SWNTs and metallofullerene peapods in electrical transport and magnetotransport measurements. For both systems, significant negative magnetoresistance (approx. 8 to 14 %) could be observed for axially oriented magnetic fields in some of the samples, where this effect vanished for the perpendicular magnetic field orientation. Other nanotubes did not show this effect at all. According to the theory by E. L. Ivchenko and B. Spivak [Ivc02], the SWNTs exhibiting the negative magnetoresistance for parallel magnetic fields should be chiral, whereas nanotubes not responding electrically to a magnetic field of any orientation should a achiral SWNTs. Moreover, height undulations of the differential conductance Coulomb blockade peaks of SWNTs accompanied by shifts of the respective peak positions along the gate voltage direction were observed, which is attributed to diamagnetic shifts and Zeeman shifts. Throughout the whole project, great importance was attached to combining the (magneto-)tansport measurements with further investigations as high-resolution TEM or AFM on the very same sample in order to cross-check its geometrical and structural properties.

[Ivc02]: E. L. Ivchenko, B. Spivak, Phys. Rev. B 66, 155404 (2002).

Verschiedene neuartige niederdimensionale Kohlenstoff-Nanomaterialien, nämlich Graphen Mono- und Doppellagen, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNTs) sowie SWNTs, die mit endohedralen Dy@C82 Metallofullerenen gefüllt sind (Metallofulleren-Peapods), wurden auf Si/SiO2-Substraten deponiert und mit metallischen Kontakten versehen, um elektrische Magnetotransport-Messungen bei tiefen Temperaturen in externen Magnetfeldern verschiedener Richtungen durchzuführen. Der Quanten-Hall-Effekt wurde an den Graphen Mono- und Doppellagen gemessen, wobei die Ergebnisse aus der Literatur reproduziert werden konnten. Wie erwartet, ergaben sich für Graphen Mono- und Doppellagen keine signifikanten Magnetwiderstands-Effekte bei angelegten in-plane Magnetfeldern, wohingegen jedoch deutliche Anzeichen des Hall-Effekts für Magnetfelder senkrecht zu den Graphen-Flocken beobachtet werden konnten. Innerhalb unserer experimentellen Auflösung konnten wir keine reproduzierbaren Unterschiede zwischen leeren SWNTs und Metallofulleren-Peapods im elektrischen Transport und Magnetotransport feststellen. Für beide Systeme konnte an einigen Proben ein deutlicher negativer Magnetwiderstand (ca. 8 bis 14 %) für parallel orientierte Magnetfelder beobachtet werden, dieser Effekt verschwindet jedoch für die senkrechte Magnetfeld-Ausrichtung. Andere Nanoröhren zeigten diesen Effekt nicht. Entsprechend der Theorie von E. L. Ivchenko und B. Spivak [Ivc02] sollten die SWNTs, welche den negativen Magnetwiderstand bei parallelen Magnetfeldern aufweisen, chiraler Natur sein, wohingegen die Nanoröhren, die elektrisch nicht auf ein Magnetfeld beliebiger Richtung reagieren, achiral sein sollten. Weiterhin wurden Höhen-Undulationen der differentiellen Leitwert-Peaks im Coulomb-Blockade-Regime beobachtet, welche einhergehen mit Verschiebungen der entsprechenden Peaks entlang der Gate-Spannungs-Achse. Diese Effekte werden diamagnetischen Verschiebungen sowie Zeeman-Verschiebungen zugeordnet. Während des gesamten Projekts wurde großer Wert auf die Kombination der (Magneto-)Transport-Messungen mit weiteren Untersuchungen wie hochauflösender Transmissionselektronen-Mikroskopie oder Rasterkraft-Mikroskopie an derselben Probe gelegt, um deren geometrische und strukturelle Eigenschaften zu überprüfen.

[Ivc02]: E. L. Ivchenko, B. Spivak, Phys. Rev. B 66, 155404 (2002).