Ladungsträgerdynamik in Graphen unterhalb der optischen Phononenergie
Jacob Cyrill König-Otto
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Jacob Cyrill König-Otto, Ladungsträgerdynamik in Graphen unterhalb der optischen Phononenergie (2018), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832590772
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Beschreibung / Abstract
Dieses Buch präsentiert Ergebnisse der Grundlagenforschung an Graphen. Nach einer kritischen Auseinandersetzung mit dem Begriff des Graphen-Zeitalters werden zwei Studien aus dem Bereich der Kurzzeitspektroskopie im mittleren Infrarotbereich vorgestellt. Eine konsistene Reihe von Herleitungen vermittelt didaktisch die benötigten Grundlagen zum Einstieg in die Forschungsarbeiten. Durch die Verwendung des Freie-Elektronen-Lasers FELBE in einem Photonenergiebereich unterhalb der optischen Phononenergie in Graphen von 200 meV kann in diesen Studien die Streuung der Ladungsträger mit diesen Phononen effizient unterdrückt werden. Hierdurch wird ein unverstellter Blick auf die verbleibenden Prozesse der Ladungsträgerdynamik freigegeben.
In einer ersten Studie wird so mittels polarisationsaufgelöster Anregungs-Abfrage-Experimente die zuvor weit verbreitete Hypothese einer universell gültigen nahezu instantanen Thermalisierung einer optisch induzierten Nichtgleichgewichtsverteilung des elektronischen Systems widerlegt. In einer zweiten Studie werden durch entartetes Vier-Wellen Mischen in Landau-quantisiertem Graphen die nichtlinearen optischen Eigenschaften dieses Materials nachgewiesen. Während die gemessenen Nichtlinearitäten in Graphen unter Abwesenheit magnetischer Felder den Erwartungen bislang nicht gerecht werden, konnte hier für Landau-quantisiertes Graphen die Größenordnung der Suszeptibilität dritter Ordnung, sowie das Resonanzverhalten experimentell im Einklang mit den Vorhersagen bestätigt werden. Beide Studien leisten so einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Ladungsträgerdynamik in Graphen.
In einer ersten Studie wird so mittels polarisationsaufgelöster Anregungs-Abfrage-Experimente die zuvor weit verbreitete Hypothese einer universell gültigen nahezu instantanen Thermalisierung einer optisch induzierten Nichtgleichgewichtsverteilung des elektronischen Systems widerlegt. In einer zweiten Studie werden durch entartetes Vier-Wellen Mischen in Landau-quantisiertem Graphen die nichtlinearen optischen Eigenschaften dieses Materials nachgewiesen. Während die gemessenen Nichtlinearitäten in Graphen unter Abwesenheit magnetischer Felder den Erwartungen bislang nicht gerecht werden, konnte hier für Landau-quantisiertes Graphen die Größenordnung der Suszeptibilität dritter Ordnung, sowie das Resonanzverhalten experimentell im Einklang mit den Vorhersagen bestätigt werden. Beide Studien leisten so einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Ladungsträgerdynamik in Graphen.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Das Graphen-Zeitalter
- 2 Allgemeine Grundlagen
- 2.1 Graphen und seine Bandstruktur
- 2.2 Landau-quantisiertes Graphen
- 2.3 Mikroskopische Prozesse in Graphen
- 2.4 Spezifische Eigenschaften der Graphenprobe
- 3 Spektroskopische Werkzeuge
- 3.1 Freie-Elektronen-Laser FELBE
- 3.2 Pump-Probe-Experimente
- 4 Langsame Coulomb-Wechselwirkung in Graphen
- 4.1 Einführung und Motivation
- 4.2 Experimentelle Umsetzung
- 4.3 Langsame Thermalisierung durch nicht-kollineare Coulomb-Streuung
- 4.4 Zusammenfassung und Ausblick
- 5 Vier-Wellen-Mischen in Landau-quantisiertem Graphen
- 5.1 Einführung und Motivation
- 5.2 Experimentelle Umsetzung
- 5.3 Resultate
- 5.4 Zusammenfassung und Ausblick
- 6 Fazit
- A Grafische Darstellung der Graphen-Popularität
- B Berechnung des Übergangsmatrixelements und der Übergangsrate
- C Herleitung der optischen Eigenschaften der Vielschichtprobe
- Literatur
- Publikationsliste
- Danksagung