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Type: Tese de Doutorado
Title: Using inelastic scattering of light to understand the nature of electron-phonon interactions and phonon self-energy renormalizations in graphene materials
Authors: Daniela Lopes Mafra
First Advisor: Marcos Assuncao Pimenta
First Referee: Leandro Malard Moreira
Second Referee: Paulo Sérgio Soares Guimarães
Third Referee: Antonio Gomes de Souza Filho
metadata.dc.contributor.referee4: Pedro Paulo de Mello Venezuela
Abstract: Na última década, muitos avanços teóricos e experimentais foram alcançados na física do grafeno. Em particular, a Espectroscopia Raman tem sido muito importante para elucidar propriedades físicas e químicas em sistemas de grafeno. Nessa tese nós usamos a Espectroscopia Raman para estudar alguns dos efeitos do acoplamento elétron-fônon no grafeno de camada única e de dupla camada e para obter informações sobre a estrutura eletrônica e vibracional do grafeno de camada dupla. As renormalizações das energias dos fônons tem sido estudadas basicamente para fônons com vetor de onda nulo (q=0). Aqui, nós combinamos a Espectroscopia Raman com aplicação de tensão de porta, para estudar, em grafeno de camada única, as bandas originadas do processo Raman com dupla ressonância (DDR) com etores de onda q0. Nós observamos os efeitos de decaimento dos fônons com o aumento da tensão de porta e esse efeito é o oposto do que é observado para os fônons com q=0. Nós mostramos que esse tipo de renormalização é uma assinatura dos fônons com vetor de onda q2K que vem de um processo de camada única, os modos de fônons que contribuem para a banda Raman G*, em ~2450cm-1 e para outros cinco picos provenientes de combinação de modos na região de frequência 1700-2300cm-1. Combinando a teoria do processo DRR com o efeito de renormalização de fônons, nós mostramos uma nova técnica para usar a Espectroscopia Raman para identificar cada modo Raman apropriadamente. Nó também estudamos o comportamento dos modos ópticos do grafeno de camada dupla combinando o espalhamento Raman e a aplicação de tensão de porta em dispositivos desse material. Nós observamos que a banda G se divide em duas quando o nível de Fermi da amostra é mudado e isso é explicado em termos da mistura dos modos de fônon Raman (Eg) e infravermelho (Eu) devido a diferença de concentração de carga nas duas camadas. Nós mostramos que a comparação entre os dados experimentais e o modelo teórico não dá apenas informação sobre a concentração de carga total no dispositivo de grafeno de camada dupla, mas também nos permite quantificar separadamente a quantidade de cargas não intencionais provenientes da camada de cima e de baixo do sistema e, portanto caracterizar a interação do grafeno de camada dupla com o ambiente a sua volta. Na segunda parte dessa tese, a dispersão de elétrons e fônons perto do ponto K do grafeno de camada dupla é investigada atravé do estudo da banda G' usando várias energias de excitação de laser na região do infravermelho e do visível. A estrutura eletrônica foi analisada dentro da aproximação de ligações-forte e os parâmetros Slonczewski-Weiss-McClure (SWM) foram obtidos através do comportamento dispersivo da banda G' considerando-se tanto o processo DRR interno, quanto o externo. Nós mostramos que os parâmetros SWM obtidos considerando-se que o processo DRR interno está em melhor acordo com os valores obtidos por outras técnicas experimentais, sugerindo fortemente que o processo interno é o principal responsável pela banda G' no grafeno. Além disso, a dependência da intensidade dos quatro picos que compõe a banda G' do grafeno de camada dupla com a energia de excitação de laser e com a potência do laser é explorada e explicada em termos do acoplamento elétron-fônon e do relaxamento dos elétrons foto-excitados. Nós mostramos que o relaxamento dos elétrons ocorre predominantemente pela emissão de fônons acústicos de baixa energia e as diferentes combinações dos processos de relaxamento determinam as intensidades relativas dos quatro picos que dão origem à banda G'. Esse efeito nos fornece informações importantes sobre a dinâmica dos elétrons e fônons e precisa ser levado em conta para aplicações do grafeno de camada dupla do campo nanotecnológico.
Abstract: In the last decade, many theoretical and experimental achievements have been made in the physics of graphene. In particular, Raman spectroscopy has been playing an important role in unraveling the properties of graphene systems. In this thesis we use the Raman spectroscopy to study some effects of the electron-phonon coupling in monolayer and bilayer graphene and to probe the electronic and vibrational structure of bilayer graphene. Phonon self-energy corrections have mostly been studied theoretically and experimentally for phonon modes with zone-center (q = 0) wavevectors. Here, we combine Raman spectroscopy and gate voltage to study phonons of monolayer graphene for the features originated from a double-resonant Raman (DRR) process with q .= 0 wavevectors. We observe phonon renormalization effects in which there is a softening of the frequency and a broadening of the decay width with increasing the gate voltage, that is opposite from what is observed for the zone-center q = 0 case. We show that this renormalization is a signature for the phonons with q . 2k wavevector that come from both intravalley and intervalley DRR processes. Within this framework, we resolve the identification of the phonon modes contributing to the G. Raman feature, at ¡­ 2450 cm.1, and also forfive second order Raman combination modes in the frequency range of 1700 . 2300 cm.1 of monolayer graphene. By combining the DRR theory with the anomalous phonon renormalization effect, we show a new technique for using Raman spectroscopy to identify the proper phonon mode assignment for each combination mode. We also study the behavior of the optical phonon modes in bilayer graphene devicesby applying top gate voltage, using Raman scattering. We observe the splitting of the Raman G band as we tune the Fermi level of the sample, which is explained in terms of mixing of the Raman (Eg) and infrared (Eu) phonon modes, due to different doping in the two layers. We show that the comparison between the experiment and theoretical model not only gives information about the total charge concentration in the bilayer graphene device, but also allows to separately quantify the amount of unintentional charge coming from the top and the bottom of the system, and therefore to characterize the intrinsic charges of bilayer graphene with its surrounding environment. In the second part of this thesis, the dispersion of electrons and phonons near the K point of bilayer graphene was investigated in a resonant Raman study of the G¡Ç band using different laser excitation energies in the near-infrared and visible range.The electronic structure was analyzed within the tight-binding approximation, and the Slonczewski-Weiss-McClure (SWM) parameters were obtained from the analysis of the dispersive behavior of the G¡Ç band considering both the inner and the outer DRR processes. We show that the SWM parameters obtained considering the inner process are in better agreement with those obtained from other experimental techniques, strongly suggesting that the inner process is the main responsible for the G¡Ç feature in graphene. Additionally, the dependence of the intensity of the four peaks that compose the G¡Ç band of bilayer graphene with laser excitation energy and laser power is explored and explained in terms of the electron-phonon coupling and the relaxation of the photon-excited electron. We show that the carrier relaxation occurs predominantly by emitting a lowenergy acoustic phonon and the different combinations of relaxation processes determine the relative intensities of the four peaks that give rise to the G¡Ç band. Some peaks show an increase of their intensity at the expense of others, thereby making the intensity of the peaks both different from each other and dependent on laser excitation energy and on power level. This effect gives important information about the electron and phonon dynamics and needs to be taken into account for certain applications of bilayer graphene in the field of nanotechnology.
Subject: Física
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/MPDZ-8Y4GEG
Issue Date: 13-Sep-2012
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