Quasiparticles in graphene and other 2D materials: modulation by a Surface acoustic wave and contribution to Coulomb drag

Fandan, Rajveer Singh (2020). Quasiparticles in graphene and other 2D materials: modulation by a Surface acoustic wave and contribution to Coulomb drag. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65493.

Description

Title: Quasiparticles in graphene and other 2D materials: modulation by a Surface acoustic wave and contribution to Coulomb drag
Author/s:
  • Fandan, Rajveer Singh
Contributor/s:
  • Pedrós Ayala, Jorge
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los materiales bidimensionales (2D), como el grafeno, el h-BN, el fósforo negro (BP) o los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs), han mostrado un gran potencial en el área de la electrónica y la fotónica. Su ensamblado en heteroestructuras verticales de van der Waals es uno de los campos de investigación más candentes en la actualidad con un gran número de fenómenos recién observados. En esta tesis, hemos investigado varias cuasipartículas en grafeno y otros materiales 2D, con especial atención a su acoplo y a fenómenos relacionados, así como a su interacción con la luz, donde esta última se modula o asiste mediante una onda acústica superficial (SAW). En particular, hemos estudiado los plasmones en grafeno y sus heteroestructuras, su hibridación con fonones y su acoplo con la luz por medio de una SAW, el efecto de arrastre de Coulomb en grafeno, el acoplo de plasmones y excitones en TMDCs, BP y metal y el efecto de la deformación producida por una SAW en los fonones del grafeno. Primero hemos estudiado teóricamente los plasmones en sistemas de grafeno monocapa (SLG) y de doble monocapa (DLG) y su acoplo con los fonones de superficie e hiperbólicos de una capa intermedia de h-BN y del substrato, que dan lugar a polaritones de tipo plasmón-fonón superficial (SPPPs) y plasmón-fonón hiperbólico (HPPPs). Se ha demostrado que la SAW permite generar SPPPs propagantes en sistemas SLG y DLG con capa intermedia de h-BN en un substrato piezoeléctrico como AlN y ZnO, donde la modulación de la superficie producida por la SAW actúa como una red de difracción proporcionando el momento necesario para generar los polaritones. La capa intermedia de h-BN entre el SLG y el substrato o entre las capas de grafeno del sistema DLG induce cambios significativos en la dispersión de los SPPPs e incrementa su tiempo de vida. También hemos estudiado teóricamente las interacciones electrón-electrón en el arrastre de Coulomb en el caso de un sistema DLG separado por una capa intermedia fina de h-BN. Hemos demostrado que estas interacciones pueden estar influenciadas por varias cuasipartículas, como los plasmones y fonones, así como por los efectos de intercambio y correlación (XC). Hemos evaluado numéricamente los efectos de estas cuasipartículas y los XC, y hemos mostrado que todas estas contribuciones en conjunto modifican la resistividad de arrastre permitiendo reproducir con gran precisión los resultados experimentales reportados en la literatura con el modelo teórico desarrollado. Hemos continuado nuestros estudios teóricos de otros materiales 2D con TMDCs (MoS2 y WS2) y BP. Hemos propuesto el acoplo entre los excitones en estos materiales con los plasmones generados en una capa fina de plata mediante una SAW, de una manera similar al caso del grafeno, demostrando que se alcanza el régimen de acoplo fuerte. Finalmente, hemos demostrado experimentalmente la modulación de los fonones ópticos del grafeno SLG activos en procesos Raman mediante la deformación dinámica creada por un resonador SAW en un substrato de LiNbO3. Aquí hemos mostrado que el campo de deformación de la SAW induce una variación de la intensidad de la dispersión Raman de un 15%y un desplazamiento en la frecuencia de los fonones de 10 cm1 para una deformación máxima inducida del 0.24%a una frecuencia SAW de _400 MHz. Así, se ha probado que las SAWs son herramientas muy potentes para modular las propiedades vibracionales del grafeno a través de las deformaciones locales de alta frecuencia creadas por los transductores acústicos, cuyo uso puede ser extendido a otros materiales 2D y heteroestructuras de van der Waals. ----------ABSTRACT---------- Two-dimensional (2D) materials, such as graphene, h-BN, black phosphorus (BP) and transition metal dichalcogenides (TMDCs), have recently shown a lot of potential in the area of electronics and photonics. Assembling them into vertical van der Waals heterostructures is currently one of the hottest research fields with a wide range of newly observed phenomena. In this thesis, we have investigated various quasiparticles in graphene and other 2D materials, with special attention to their coupling and related phenomena as well as their interaction with light, the latter being modulated or mediated by a surface acoustic wave (SAW). In particular, we have addressed plasmons in graphene and its heterostructures, their hybridization with phonons, and their coupling with light by means of SAW, Coulomb drag effect in graphene, exciton-plasmon coupling by SAW in TMDCs, BP and metal and the effect of strain produced by a SAW on the phonons of graphene. We have first theoretically studied the plasmons in single (SLG) and double layer graphene (DLG) systems and their coupling with surface and hyperbolic phonons of a h-BN interlayer and the substrate leading to hybridized surface plasmon-phonon polaritons (SPPPs) and hyperbolic plasmon-phonon polaritons (HPPPs). We have demonstrated that a SAW can be used to launch propagating SPPPs in SLG and DLG system with h-BN interlayers on a piezoelectric substrate like AlN and ZnO, where the SAW-induced surface modulation acts as a dynamic diffraction grating providing the extra necessary momentum for the generation of the polaritons. The h- BN interlayer between the graphene and the piezoelectric substrate and between the two graphene layers significantly changes the dispersion of the SPPPs and increases their lifetime. We have also theoretically studied the electron-electron interactions in Coulomb drag in the case of a DLG system separated by a thin h-BN interlayer. We have demonstrated that these interactions can be influenced by various quasiparticles like plasmons and phonons, and also by exchange and correlation (XC) effects. We have numerically evaluated the effect of these quasiparticles and XC on the drag resistivity, and have shown how all these contributions altogether can modify the drag resistivity allowing us to replicate the experimental data reported in the literature by our theoretical model with high accuracy. We have continued our theoretical studies of 2D materials with TMDCs (MoS2 and WS2) and BP. We have proposed the coupling between excitons in these 2D materials and plasmons in a thin silver film by means of a SAW, in a similar way as in the case of graphene, demonstrating that the strong coupling regime is achieved. Finally, we have put forward the experimental study of the modulation of the Raman-active optical phonon modes of SLG by the dynamic strain created by a SAW resonator on a LiNbO3 substrate. Here we have showed that the SAW strain field induces a variation in the Raman scattering intensity as large as 15 % and a shift in the phonon modes of up to 10 cm1 for a maximum strain of 0.24 % at a SAW frequency of _400 MHz. Thus, SAWs are proven to be powerful tools to modulate the vibrational properties of graphene by means of the high-frequency localized deformations tailored by the acoustic transducers, which can also be extended to other 2D materials and van der Waals heterostructures.

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Item ID: 65493
DC Identifier: http://oa.upm.es/65493/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65493
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65493
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 20 Nov 2020 08:11
Last Modified: 20 Nov 2020 08:11
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