Plank, Helene
(2018)
Optoelectronic Phenomena Induced by Terahertz/Infrared Laser Radiation in Topological Insulators and Graphene.
PhD, Universität Regensburg.
Date of publication of this fulltext: 04 Jul 2018 09:43
Abstract (English)
Within this thesis it is demonstrated that the excitation of systems, which are characterized by a linear dispersion, with polarized terahertz radiation results in the generation of optoelectronic phenomena. In three dimensional topological insulators several nonlinear effects are observed, among these are the linear photogalvanic and photon drag effect, the circular photogalvanic effect, and the ...
Abstract (English)
Within this thesis it is demonstrated that the excitation of systems, which are characterized by a linear dispersion, with polarized terahertz radiation results in the generation of optoelectronic phenomena. In three dimensional topological insulators several nonlinear effects are observed, among these are the linear photogalvanic and photon drag effect, the circular photogalvanic effect, and the trigonal photon drag effect. In high mobility graphene, edge photogalvanic effects are verified in two different regimes, the semi-classical and the quantum Hall one. All experimental results and their discussion are shown in two parts.
In the first part results on Bi2Te3- and Sb2Te3-based three dimensional topological insulators, studied at room temperature and for a wide range of excitation frequencies, are presented. Due to symmetry filtration between the centrosymmetric bulk and the non-centrosymmetric surface, a photogalvanic current is excited in the surface states. It is verified, that the role of a competing photon drag current, being allowed in the bulk states too, is excluded by measurements using front and back illumination. It is shown, that the photocurrents give insight in the high frequency transport properties of the materials and allow an estimation of scattering times and mobilities. Moreover, it is stated that the photogalvanic effect can be applied to characterize the materials and provides information on the local domain orientation and uniformity of the high frequency transport. Furthermore, photocurrents are generated in two excitation regimes: In the lower THz range, where Drude-like free carrier absorption dominates and the current formation is treated semi-classically, and in the higher THz range, where direct optical transitions, possibly from the Dirac cone into bulk bands, dominate. For the second case, a helicity sensitive contribution to the current is observed. Changing the experimental geometry allowed the observation of the trigonal photon drag effect, which is caused by the additional transfer of the in-plane photon momentum. All experimental findings are supported by models and microscopic theories, which describe all characteristics features.
In the second part results on edge photocurrents in high mobility graphene are presented. It is shown that the current at zero magnetic field stems from scattering in the vicinity of the edge and is formed in a narrow strip given by the mean free path. The discussion reveals that in this case the edge photocurrent direction is determined by the polarization and the carrier type. Strikingly and in contrast to this, the results further revealed that for graphene being in the quantum Hall regime, the observed edge currents are determined solely by the sign of the magnetic field. The study demonstrates that they are generated by optical transitions within the chiral edge channels. All these findings are supported by a microscopic theory.
Translation of the abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Anregung von Systemen, die durch eine lineare Dispersion gekennzeichnet sind, mit polarisierter Terahertzstrahlung zur Erzeugung optoelektronischer Phänomene führt. In dreidimensionalen topologischen Isolatoren werden mehrere nichtlineare Effekte beobachtet, darunter der lineare photogalvanische und der lineare Photon-Drag Effekt, der zirkulare ...
Translation of the abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Anregung von Systemen, die durch eine lineare Dispersion gekennzeichnet sind, mit polarisierter Terahertzstrahlung zur Erzeugung optoelektronischer Phänomene führt. In dreidimensionalen topologischen Isolatoren werden mehrere nichtlineare Effekte beobachtet, darunter der lineare photogalvanische und der lineare Photon-Drag Effekt, der zirkulare photogalvanische Effekt und der trigonale Photon-Drag Effekt. In Graphen mit hoher Beweglichkeit werden photogalvanische Randeffekte in zwei verschiedenen Regimen, dem semi-klassischen und dem Quanten-Hall Effekt, verifiziert. Alle experimentellen Ergebnisse und deren Diskussion werden in zwei Teilen dargestellt.
Im ersten Teil werden Ergebnisse zu Bi2Te3- und Sb2Te3-basierten dreidimensionalen topologischen Isolatoren vorgestellt, die bei Raumtemperatur und in einem weiten Bereich von Anregungsfrequenzen untersucht wurden. Durch eine Symmetriefiltration zwischen dem zentrosymmetrischen Volumen und der nicht zentrosymmetrischen Oberfläche wird ein photogalvanischer Strom in den Oberflächenzuständen angeregt. Es wird verifiziert, dass die Rolle eines konkurrierenden Photon-Drag Photostroms, der auch im Volumen erlaubt ist, durch Messungen mit Frontal- und Rückbeleuchtung ausgeschlossen wird. Es wird gezeigt, dass diese Photoströme einen Einblick in die hochfrequenten Transporteigenschaften der Materialien erlauben und eine Abschätzung der Streuzeit und Beweglichkeit ermöglicht. Darüber hinaus wird festgestellt, dass der photogalvanische Effekt zur Charakterisierung dieser Materialien eingesetzt werden kann und Informationen über die lokale Domänenorientierung und Gleichmäßigkeit des Hochfrequenztransports liefert. Darüber hinaus werden Photoströme in zwei Anregungsregimen erzeugt: Im tieferen THz-Bereich, wo die Drude-ähnliche freie Trägerabsorption dominiert und die Strombildung semi-klassisch behandelt wird, und im höheren THz-Bereich, wo direkte optische Übergänge, möglicherweise vom Dirac-Konus in Volumenbänder, dominieren. Für den zweiten Fall wird ein Beitrag zum Strom beobachtet, der sensibel für die Strahlungshelizität ist. Die Änderung der experimentellen Geometrie ermöglichte die Beobachtung des trigonalen Photonen-Drag Effekts, der durch die zusätzliche Übertragung des Photonenimpulses in der Ebene verursacht wird. Alle experimentellen Befunde werden durch Modelle und mikroskopische Theorien unterstützt, die alle Merkmale beschreiben.
Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der Randphotoströme in Graphen mit hoher Beweglichkeit dargestellt. Es wird gezeigt, dass der Strom ohne externes Magnetfeld von der Streuung in der Nähe der Ränder stammt und in einem schmalen Streifen gebildet wird, der durch den mittleren freien Weg gegeben ist. Die Diskussion zeigt, dass in diesem Fall die Richtung des Randphotostroms durch die Polarisation und den Ladungsträgertyp bestimmt wird. Auffallend und im Gegensatz dazu zeigten die Ergebnisse weiter, dass bei Graphen im Quanten-Hall Regime die beobachteten Randströme allein durch das Vorzeichen des Magnetfeldes bestimmt werden. Die Studie zeigt, dass sie durch optische Übergänge innerhalb der chiralen Randkanäle erzeugt werden. All diese Erkenntnisse werden durch eine mikroskopische Theorie gestützt.
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