Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4383
Main Title: Ultrafast carrier dynamics in Landau quantized graphene
Translated Title: Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in Landau-quantisierten Graphen
Author(s): Wendler, Florian
Advisor(s): Knorr, Andreas
Referee(s): Knorr, Andreas
Malic, Ermin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wird die Dynamik der Ladungsträger in Landau-quantisiertem Graphen untersucht, wo ein Magnetfeld die Energie-Quantisierung in sogenannte Landau Niveaus bewirkt. Der Dichtematrixformalismus wird genutzt, um die Wechselwirkung der Elektronen mit Licht, Störstellen, anderen Elektronen und Phononen im Rahmen der Quantenmechanik zu modellieren. Dies erlaubt Einsichten in die fundamentalen Streuprozesse, welche wichtig für potentielle Anwendungen und zur Erklärung aktueller Experimente sind. In einem externen Magnetfeld ist die Energie der masselosen Ladungsträger in Graphen quantisiert in nicht-äquidistante Landau Niveaus, einschließlich eines Niveaus mit verschwindender Energie. Optische Auswahlregeln für zirkular polarisiertes Licht erlauben die selektive Anregung eines einzelnen Übergangs zwischen zwei Landau Niveaus und ermöglichen dadurch die experimentelle Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in ausgewählten Landau Niveaus. In einem aktuellen Experiment, durchgeführt in der Arbeitsgruppe von Prof. Manfred Helm (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), wurde die Dynamik in den drei niederenergetischsten Landau Niveaus untersucht, wobei das gemessene Vorzeichen der differentiellen Transmission nicht mit der naiven Erwartung unter Betrachtung der reinen optischen Anregung übereinstimmt. In enger Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theory waren wir in der Lage, die unerwartete experimentelle Signatur durch besonders starke Auger-Streuung zu erklären, welche die Dynamik bereits während des Pumpens dominiert. Auger-Streuung ist ein Coulomb Streuprozess zwischen Elektronen, bei dem ein Elektron das Band wechselt (vom Valenzband ins Leitungsband oder umgekehrt). Als Folge der starken Auger-Streuung in Graphen wird das Auftreten einer signifikanten Ladungsträgervervielfachung vorhergesagt. Ladungsträgervervielfachung ist ein interessantes Phänomen, weil es zur Steigerung der Energieumwandlungseffizienz von Solarzellen beitragen könnte, oder genutzt werden könnte, um neuartige Photodetektoren im Terahertz-Bereich zu entwickeln. Des Weiteren wird die Streuung zwischen Elektronen und Phononen untersucht, welche von den optischen Phononenmoden bestimmt wird. Diese besitzen an den relevanten Punkten der Brillouinzone von Graphen konstante Energien. In Landau-quantisiertem Graphen führt das zu einer generellen Unterdrückung der Elektron-Phonon Streuung, sofern keine Resonanz zwischen der Energiedifferenz eines Landau Niveau-Übergangs und der Phononenenergie besteht. Akustische Phononen wird auch untersucht, spielt aber nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem wird gezeigt, dass eine langlebige Populationsinversion in Landau-quantisiertem Graphen auftreten kann, die es zu einem vielversprechenden Material für ein Gain-Medium macht, bei dem das Magnetfeld als Stellschraube zur Einstellung der Laserfrequenz dient. Das Auftreten der Populationsinversion wird durch das nicht-äquidistante Spektrum der Landau Niveaus begünstigt und es werden verschiedene Schemata vorgeschlagen, um sie zu erreichen. Zusammenfassend enthält diese Arbeit eine detaillierte Analyse der Ladungsträgerdynamic in Landau-quantisiertem Graphen. Das dadurch gewonnene Verständnis elementarer Vielteilchen-Streuprozesse kann die Entwicklung von neuartigen Graphen-basierten optoelektronischen Anwendungen voranbringen, wie beispielsweise hocheffiziente Photodetektoren oder durchstimmbare Landau Niveau Laser, die den technologisch relevanten Terahertz Frequenzbereich erreichen können.
In this thesis, the relaxation dynamics of charge carriers in Landau-quantized graphene is investigated, where a magnetic field effects an energy quantization into so-called Landau levels. A density matrix approach is used to model the interactions of electrons with light, impurities, other electrons, and phonons on a quantum mechanical footing. This allows to gain insights into the fundamental scattering pathways, which are important for potential applications and serve to explain recent experiments. In an external magnetic field, the energy of massless charge carriers in graphene is quantized into non-equidistant Landau levels including one level emerging at zero energy. This extraordinary electronic dispersion gives rise to a fundamentally interesting dynamics of optically excited carriers. Optical selection rules for circularly polarized light allow to selectively excite specific inter-Landau level transitions, thereby enabling the experimental investigation of the carrier dynamics in selected Landau levels. In a recent experiment performed in the group of Prof. Manfred Helm (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) the dynamics of the three energetically lowest Landau levels was addressed, revealing a pump-probe signal that contradicts the naive expectation based on the optical excitation. In close collaboration between experiment and theory, we were able to explain the unexpected experimental signature by particularly strong Auger-scattering dominating the carrier dynamics already during the pumping. Auger-scattering is a Coulomb scattering process between two electrons, where one electron changes the band (from the valence band to the conduction band or vice versa). As a consequence of the strong Auger-scattering in Landau-quantized graphene, the occurrence of a significant carrier multiplication is predicted. This can be achieved by pumping into a higher Landau level. Then, the excited electron can scatter down to a lower Landau level and the excess energy can be used to excite a second electron to the conduction band. Hence, besides the optically excited electrons, additional electrons are transferred to the conduction band and the number of excited charge carriers is increased. Carrier multiplication is an interesting phenomena, since it holds the potential to increase the power conversion efficiency of solar cells or might be exploited to design new photo detectors in the terahertz regime. Furthermore, the thesis addresses carrier-phonon scattering which is dominated by the optical phonon modes. In graphene they exhibit constant energies at the relevant points of the Brillouin zone. In Landau-quantized graphene, this leads to a general suppression of the carrier-phonon scattering between two Landau levels, unless a resonance condition between the inter-Landau level transition and the phonon energy is met. Acoustic phonon scattering is also investigated but plays a minor role. Moreover, it is shown that a long-lived population inversion can occur in Landau-quantized graphene making it a promising material for a gain medium, where the magnetic field strength provides an experimental knob to tune the Laser frequency. The occurrence of population inversion is supported by the non-equidistant Landau level spectrum and different schemes are proposed to achieve it. In summary, this thesis comprises a detailed analysis of the carrier dynamics in Landau-quantized graphene. The gained understanding of the elementary many-particle processes can guide the design of new graphene-based optoelectronic applications, such as highly efficient photodetectors or tunable Landau level lasers that can reach the technologically relevant terahertz spectral range.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64306
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4680
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4383
Exam Date: 6-Mar-2015
Issue Date: 12-Mar-2015
Date Available: 12-Mar-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Auger-Streuung
Ladungsträgerdynamik
Ladungsträgervervielfachung
Landau-quantisiertes Graphen
Populationsinversion
Auger scattering
Carrier dynamics
Carrier multiplication
Landau-quantized graphene
Population inversion
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Theoretische Physik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
wendler_florian.pdf19,13 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.