Direkte måling af elektronstrukturen i graphen og ultrahurtig dynamik af masseløse Dirac Fermioner

Transkript

1 Direkte måling af elektronstrukturen i graphen og ultrahurtig dynamik af masseløse Dirac Fermioner Søren Ulstrup Ph.d.-studerende Institut for fysik og astronomi Aarhus Universitet Fysiklærerdag Fredag d. 24. januar 2014 Eksperimentel overfladefysik og faste stoffers elektronstruktur Philip Hofmann Marco Bianchi Lucas Baretto Maciek Dendzik Matteo Michiardi

2 Indhold Graphen Kulstof i to dimensioner Vinkelopløst fotoemissions spektroskopi Direkte billeder af Dirac kegler i graphen Elektronstruktur film med ultrahurtige lyskilder Varme elektroner i graphen kan føre til effektive solceller

3 Drømme og perspektiver Fleksibilitet og styrke i 2D Graphen Hurtige elektroniske komponenter Effektive coatings Kilder: Graphenea Samsung Novoselov et al., Nature 490, 192 (2012).

4 Drømme og perspektiver Fleksibilitet og styrke i 2D Hurtige elektroniske komponenter Effektive coatings Graphen Simpelt og stabilt materiale med spændende fysiske egenskaber! Kilder: Graphenea Samsung Novoselov et al., Nature 490, 192 (2012).

5 Krystalstruktur Graphen Gitter og enhedscelle Det reciprokke gitter Impulsrum/k-rum Brillouin zone G M K

6 Elektronstruktur Graphen

7 Elektronstruktur Graphen G M K P. R. Wallace, Phys. Rev. 71, 662 (1947)

8 Elektronstruktur Graphen G M K P. R. Wallace, Phys. Rev. 71, 662 (1947)

9 Elektronstruktur Graphen G M K E(k) K K K P. R. Wallace, Phys. Rev. 71, 662 (1947) k

10 Graphen 2D elektroniske komponenter A. K. Geim & K. S. Novoselov, Nat. Mater (2007) K. S. Novoselov et al., Science (2007)

11 Graphen 2D elektroniske komponenter Ambipolær felt-effekt Kæmpe mobilitet > cm 2 /Vs Kvante Hall effekt ved stuetemperatur A. K. Geim & K. S. Novoselov, Nat. Mater (2007) K. S. Novoselov et al., Science (2007)

12 Graphen 2D elektroniske komponenter Ambipolær felt-effekt Kæmpe mobilitet > cm 2 /Vs Kvante Hall effekt ved stuetemperatur Valley degeneration: Valleytronics relativistic Klein tunnelering A. K. Geim & K. S. Novoselov, Nat. Mater (2007) K. S. Novoselov et al., Science (2007)

13 Graphen Massless relativistic Dirac Fermions Dirac-lignende Hamilton operator masseløs/ semimetal Hvorfor masseløs? 0 q=k-k

14 Graphen Massless relativistic Dirac Fermions masseløs masseløs/ semimetal relativistisk energi 0 q=k-k massiv massiv/ halvleder D 0 q=k-k

15 Graphen Kulstof i to dimensioner Vinkelopløst fotoemissions spektroskopi Direkte billeder af Dirac kegler i graphen Elektronstruktur film med ultrahurtige lyskilder Varme elektroner i graphen kan føre til effektive solceller

16 Eksperimentet - Synkrotronstråling fra ASTRID/ASTRID2 ARPES Forsøg

17 Eksperimentet - Synkrotronstråling fra ASTRID/ASTRID2 - Fotoelektrisk effekt ARPES Forsøg Impulsbevarelse: Energibevarelse: Graphen på substrat

18 Eksperimentet - Synkrotronstråling fra ASTRID/ASTRID2 - Fotoelektrisk effekt ARPES Forsøg Graphen Dirac kegle Impulsbevarelse: Energibevarelse: Graphen på substrat

19 ARPES Forsøg Den gamle SGM3 beamline:

20 Exfoliering Epitaksial Graphen i UHV

21 Epitaksial Graphen i UHV Exfoliering Epitaksial vækst Iridium krystal

22 Interkalering og doping Epitaksial Graphen i UHV Larciprete, Ulstrup et al., ACS Nano, 2012, 6, 9551

23 Interkalering og doping Epitaksial Graphen i UHV Larciprete, Ulstrup et al., ACS Nano, 2012, 6, 9551

24 Interkalering og doping Epitaksial Graphen i UHV Larciprete, Ulstrup et al., ACS Nano, 2012, 6, 9551 Rb, K, Cs

25 Graphen Kulstof i to dimensioner Vinkelopløst fotoemissions spektroskopi Direkte billeder af Dirac kegler i graphen Elektronstruktur film med ultrahurtige lyskilder Varme elektroner i graphen kan føre til effektive solceller

26 Graphen er meget transparent Nair et al. Science 320, 1308 (2008)

27 men måske interessant for solceller Winzer et al., Nano Letters (2010) Song et al., Nano Letters (2011)

28 Tidsopløst ARPES ARPES med ultrahurtig, høj-energi laserkilde Johannsen, Ulstrup et al., PRL 111, (2013)

29 Tidsopløst ARPES ARPES med ultrahurtig, høj-energi laserkilde Femtosekund tidsforskel Johannsen, Ulstrup et al., PRL 111, (2013)

30 Johannsen, Ulstrup et al., PRL 111, (2013) Snapshots af varme elektroner

31 Johannsen, Ulstrup et al., PRL 111, (2013) Snapshots af varme elektroner

32 Carrier Multiplication Vores abs. energitæthed Winzer et al., PRB 85, (2012)

33 Konklusioner Graphen er meget transparent og ledende (transparente elektroder) Graphen kan absorbere lys med alle frekvenser (solceller) Vi kan fremstille og tune egenskaberne af graphen i UHV via epitaksial vækst, interkalering og doping Fotoemissions spektroskopi giver direkte billeder af et materiales elektronstruktur

34 Konklusioner Graphen er meget transparent og ledende (transparente elektroder) Graphen kan absorbere lys med alle frekvenser (solceller) Vi kan fremstille og tune egenskaberne af graphen i UHV via epitaksial vækst, interkalering og doping Fotoemissions spektroskopi giver direkte billeder af et materiales elektronstruktur Tak!!!