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Graphene deconstructed Antonio H. Castro Neto Evora, November 2008

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Graphene deconstructed

Antonio H. Castro Neto

Evora, November 2008

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AHCN, P. Guinea, N. Peres, K. Novoselov,

A. Geim, Rev. Mod. Phys. (2008)

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Disclaimer

Graphene is

discovered

Andre Geim

Kostya

Novoselov

AHCN, P. Guinea, N. Peres, K. Novoselov,

A. Geim, Rev. Mod. Phys. (2008)

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Disclaimer

Graphene is

discovered

IQHE measuredAndre Geim

Kostya

Novoselov

Philip Kim

AHCN, P. Guinea, N. Peres, K. Novoselov,

A. Geim, Rev. Mod. Phys. (2008)

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A brief history of graphene

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5 µm

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5 µm

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Plus some nanotechnology…

2µm

!optical image

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Plus some nanotechnology…

2µm

!optical image

!SEM image

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Plus some nanotechnology…

2µm

!optical image

!SEM image

!design

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Plus some nanotechnology…

2µm

!optical image

!SEM image

!design

!contacts and mesa

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Plus some nanotechnology…

2µm

!!!"#$%

"#

&'!()*+,(+-

./,01#+2

!optical image

!SEM image

!design

!contacts and mesa

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Some electronic properties of graphene

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Some electronic properties of graphene

B

A

Unit cell

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t ~ 2.7 eV

Some electronic properties of graphene

B

A

Unit cell Nearest neighbors

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Some electronic properties of graphene

B

t’ ~ 0.1 eV

A

A

Next Nearest neighbors

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In momentum space

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In momentum space

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In momentum space

Dirac Cone

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In momentum space

Dirac Cone

“Ultra relativistic” Solid

State at low speed of light

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In momentum space

“Ultra relativistic” Solid

State at low speed of light

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In momentum space

Semi-Metal

“Ultra relativistic” Solid

State at low speed of light

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Novoselov et al, Science 306, 666 (2004)

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Novoselov et al, Science 306, 666 (2004)

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Novoselov et al, Science 306, 666 (2004)

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10

Graphene-Based Chemical Sensorsresponse to various gases

in concentration 1ppm

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10

Graphene-Based Chemical Sensorsresponse to various gases

in concentration 1ppmcontinuous doping

by donors and acceptors

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10

Graphene-Based Chemical Sensors

! straightforward 1 ppb resolution

response to various gases in concentration 1ppm

continuous doping by donors and acceptors

! graphene can be doped in concentrations >1012

cm-2

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11

Single-Molecule Detection

step-like changes in Hall conductivitynear zero concentration

0 200 400 600

time (s)

0

10

20

30

!R

xy ("

)

adsorption

desorption

1e

1e

x1 x50

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11

Single-Molecule Detection

step-like changes in Hall conductivitynear zero concentration

0 200 400 600

time (s)

0

10

20

30

!R

xy ("

)

adsorption

desorption

1e

1e

-4 -2 0 2 40

200

400

600

0

200

400

600

num

ber

of ste

ps

!Rxy (")

annealed

desorption adsorption

-1e+1e

x1 x50

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11

Single-Molecule Detection

step-like changes in Hall conductivitynear zero concentration

0 200 400 600

time (s)

0

10

20

30

!R

xy ("

)

adsorption

desorption

1e

1e

extremely electronically quiet: few unstable defects highly conductive even in the limit of no carriers

4-probe measurements on single-crystal with low-R contactsall the volume exposed to environment

-4 -2 0 2 40

200

400

600

0

200

400

600

num

ber

of ste

ps

!Rxy (")

annealed

desorption adsorption

-1e+1e

x1 x50

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Outline

•Coulomb impurity in graphene Vitor M. Pereira, Johan Nilsson, AHCN Phys.Rev.Lett. 99, 166802 (2007); Vitor M. Pereira, Valeri Kotov, AHCN

Phys. Rev. B 78, 085101 (2008).

•Anderson impurity in graphene Bruno Uchoa, Valeri Kotov, Nuno Peres, AHCN Phys. Rev. Lett. 101, 026805 (2008); Bruno Uchoa, Chiung-Yuan Lin, Nuno Peres, AHCN

Phys.Rev.B 77, 035420 (2008)!.

Johan Nilsson

Bruno Uchoa

Vitor Pereira

Valeri Kotov

Nuno Peres

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E

N(E)

Anderson’s Impurity Model

T>TK

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Non-interacting: U=0

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Non-interacting: U=0

Energy

V=0

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Non-interacting: U=0

Energy

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Non-interacting: U=0

Energy

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Non-interacting: U=0

Broadening

EnergyEnergy

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Mean-Field

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Mean-Field

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The impurity moment can be switched on and off!

U = 1 eV

n_down

V=1eV, e0=0.2 eV

n_up

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U = 40 meV

U = 0.1 eV

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Conclusions

• Impurities in graphene behave in an unusual

way when compared to normal metals and

semiconductors.

• Control of the magnetic moment formation

using electric fields.

• Atoms that are not magnetic in ordinary

metal hosts (like hydrogen) can become

magnetic in graphene.