Abstract | This thesis covers several aspects of the electronic and electromagnetic properties of doped
graphene; peculiar properties of the 2D plasmon, strong quasi-particle interactions with these
plasmons and finally the possibility of transforming these plasmons into radiative modes. The
thesis is imbued with comparisons with available experiments and offers a solution to the longstanding problem of plasmon emission prosess seen in ARPES experiments.
A graphene is a 2D single-layer hexagon crystal, with two atoms in the unit cell. The
electrostatic doping fills its π∗ / π bands with the electrons / holes, enabling the well known
intraband Dirac plasmon. When the graphene is doped with alkali metals, its band structure
introduces a metallic σ band, which profusely fills the graphene π∗ band with the electrons.
In this way, two 2D electron gases interplay, which makes the plasmonic properties of doped
graphene even more interesting.
Moreover, the simulated spectra of electronic excitations in the graphene intercalated with
potassium [KC8 (2x2)] and caesium [CsC8 (2x2)] atoms exhibit very intensive Dirac plasmon,
which dominates the IR frequency range of the electron excitations spectra. On the other hand,
the acoustic plasmon also dominates the IR frequency range of the KC8 spectra, unlike in the
CsC8. More precisely, the acoustic plasmon does not appear at all in the CsC8 spectra of, and a
mechanism responsible for its disappearance is based on the interlayer interband screening due
to the electronic excitations.
In addition to plasmons in the infrared region, we shall also study interband plasmons in
the ultraviolet region, in various graphene intercalates such as KC8, CsC8, LiC2 and LiC6. A
comparative analysis with electrostatically doped graphene will also be done. Furthermore,
when these systems are electrostatically doped with electrons / holes, their spectra of electronic
excitations change drastically as a function of doping.
Here we also study the intercation between electrons / holes in π / π ∗ bands in electrostatically or chemically doped graphene (KC8) with the electronic excitations (focused to the Dirac
plasmon). The electron / hole spectra were calculated using a newly developed G0W0 approximation, which corrects the DFT Green’s function in terms of the induced correlation self energy, which simulates ARPES measurements. In this thesis, we shall see how the electron doping of the graphene π∗ band affects the renormalization of Fermi and Dirac group velocites, kinks at
the Fermi energy and widths of the hole decays in the π and π∗ bands. Finally, we shall see
that both deformation and abrupt increase in the decay width of the π band just below the Dirac
point is due to the Dirac plasmon emission. These theoretical observations will be compared
with the results of other theoretical and experimental studies.
In this thesis, we also investigate the electromagnetic properties of doped graphene and the
intensities of IR active plasmons in graphene nanoribbons. Plasmons in the doped graphene are
non-radiative (evanescent) modes that cannot be excited directly by photons, but only indirectly,
e.g. by scattering of the IR photon stream. In this way the photons scattered in the near-field
region couple to the plasmons and excite them. Yet another way to excite plasmons is to slice
the graphene into nanoribbons that support dipole-active plasmons. In the end, we shall study
the IR active plasmonic resonances in the 1D array of the KC8 nanoribbons, and compare them
with experimental measurements. Also, the synthesis of the KC8 nanoribbons will be discussed. |
Abstract (croatian) | Ova doktorska disertacija istražduje nekoliko aspekata elektronskih i elektromagnetskih svojstava dopiranog grafena; neobicna svojstva 2D plazmona, jake kvazičestične interakcije sa plazmonima te konačno mogućnost transformiranja plazmona u radijativne modove. Disertacija je prožeta usporedbama teorijskih rezultata s dostupnim eksperimentima, te nudi rješenje dugogodišnjeg problema razumijevanja procesa plazmonske emisije u ARPES eksperimentima.
Grafen je 2D jednoslojni heksagonski kristal, koji sadrži dva atoma u jediničnoj ćeliji. Elektrostatsko dopiranje puni njegove π∗ / π vrpce elektronima / šupljinama, omogucavajući dobro znani unutar vrpcani Diracov plazmon. Pri dopiranju grafena alkalijskim metalima, u vrpčastu strukturu ulazi metalna σ vrpca, koja obilato puni grafenovu π∗ vrpcu elektronima. Time počinje međuigra dva 2D elektronska plina, koja čini plazmonska svojstva dopiranog grafena još zanimljivijima.
Štoviše, teorijske simulacije spektara elektronskih pobudenja u grafenu interkaliranog kalijevim [KC8 (2x2)] i cezijevim [CsC8 (2x2)] atomima pokazuju Diracov plazmon visokog intenziteta, koji dominira IR frekvencijskim podrucjem spektara elektronskih pobuđenja. S druge strane, akustični plazmon također dominira IR frekvencijskim podrucjem KC ˇ 8 spektara , ali to nije slučaj i za CsC8. Tocnije, akustični plazmon se uopće ne pojavljuje u CsC8 spektrima, a
mehanizam koji je zaslužan za njegov nestanak se bazira na meduvrpčanom zasjenjenju između razlicitih slojeva radi elektronskih pobuđenja.
Osim plazmona u IR frekvencijskom podrucju, u ovoj disertaciji ćemo se također baviti i međuvrpčanim plazmonima u ˇ UV području. Proučavat će se grafeni interkalirani alkalijskim atomima, poput KC8, CsC8, LiC2 i LiC6, uz usporedbu sa rezultatima za elektrostatski dopirani grafen. Štoviše, pri elektrostatskom dopiranju sustava elektronima / šupljinama, njihovi spektri elektronskih pobudenja se drastično mijenjaju kao funkcija dopiranja.
Proucavat će se i interakcija šupljina / elektrona u ´ π / π∗ vrpcama elektrostatski ili kemijski dopiranog grafena (KC8) sa elektronskim pobudenja (s fokusom na Diracov plazmon). Spektri elektrona / šupljina su izracunati koristeći novorazvijenu G ´ 0W0 aproksimaciju, koja popravlja DFT Greenovu funkciju koristeci induciranu korelacijsku ´ self energiju, a oni su zapravo simulacija ARPES (Angle-resolved photoemission spectroscopy) mjerenja. U ovoj disertaciji pokazat
ću kako dopiranje grafenske ´ π ∗ vrpce utjece na renormalizaciju Fermijevih i Diracovih grupnih brzina, kinkove na Fermijevoj energiji, te širine raspada šupljina u π i π∗ vrpcama. Na koncu, vidjet ćemo i da se deformacija i nagli porast širine raspada ´ π vrpce odmah ispod Diracove točke pojavljuje radi emisije Diracovog plazmona. Teorijska opažanja će se također usporediti sa rezultatima drugih teorijskih i eksperimentalnih istraživanja.
U ovoj disertaciji istraživana su i elektromagnetska svojstva dopiranog grafena, kao i intenziteti IR aktivnih plazmona u grafenskim nanovrpcama. Plazmoni u dopiranom grafenu su neradijativni modovi, koji se ne mogu pobuditi direktno fotonima vec samo indirektno, npr. raspršenjem IR fotonskog snopa. Tako se fotoni raspršeni u near-field području vežu na plazmone, te ih pobuđuju. Drugi način da se pobude plazmoni je da se grafen nareže na nanovrpce koje podržavaju dipolno-aktivne plazmone. Naposljetku, analizirati ćemo ´ IR aktivne plazmone u 1D nizu nanovrpci izrezanih iz KC8, te ih usporediti sa eksperimentalnim mjerenjima, a baviti ćemo se i sintezom KC ´ 8 nanovrpci. |