Terahertz time-domain spectroscopy to characterize graphene nanostructures for new optoelectronic applications

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dc.contributor.advisor Lamela Rivera, Horacio
dc.contributor.author Dadrasnia, Ehsan
dc.date.accessioned 2015-10-29T17:27:00Z
dc.date.available 2015-10-29T17:27:00Z
dc.date.issued 2015-07
dc.date.submitted 2015-07-10
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/21868
dc.description.abstract Terahertz electromagnetic waves from 0.1 to 30 THz, bounded between the infrared and microwave regions of the spectrum, has been intensively attracted to explore scientific and engineering phenomena for the materials. The graphene, a single layer of carbon atoms in a hexagonal lattice with zero energy band gap, and the carbon nanotube, sheet of graphene rolled into a cylinder, have been widely recognized as the perfect options for next generation ultrafast high performance optoelectronic applications to operate at the sub-THz and THz frequencies. Measuring the electrical conductivity and carriers' responses of such very thin conductance materials in devices could be rather difficult because of the contact issue. The terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a noncontact tool to measure the optical and electrical parameters of the nanometrics semiconductors/semimetals. This work analysis the THz-TDS signals from the references and samples measurement. It studies the THz frequency-dependent of the electrical and optical properties of the nanostructure graphene-like materials from the transmission and reflection of a home-made THz-TDS, mainly in the frequency range of 0.1-2 THz. The DC conductivity could not be directly determined, as the available THz power decreases sharply and falls below the noise level at lower frequencies. The electrical and optical frequency-dependent parameters are rather noisy due to thickness of thin films compared to the thick substrates and also the limited sensitivity of the THz-TDS set-up over 1.5 THz. In this thesis results obtained, for the first time, on the characterization and spectroscopic analysis of the graphene-like samples deposited on the top of the quartz substrate, not only at the THz frequencies but also in the zero-frequency, so-achieved DC level, and far-infrared regime are presented. The conductivity values of such fragile materials are extracted from noncontact measurements at THz frequencies using elaborated conductivity Drude and non-Drude models which nicely fit the experimental data, giving information on the physics of electrical conductivity in these materials. The carrier’s transport, scattering and density near the Dirac point of graphene and carbon nanostructure are extracted by combining the measures THZ with the Drude models/non-Drude conductivity. This procedure is validated by the good agreement between the extracted DC conductivity from the THz measurements and the micrometer classical four-point probe in-line contact ones. The extrapolated characteristic length from THz measurement enables us to predict the cut-off frequency of such materials before applying to the optoelectronic devices. This thesis presents a commercially relevant application of noncontact THz-TDS techniques and analysis for the electrical characterization of nanoscale semiconductors and polymers with high mobility in the new generation of optoelectronic devices.
dc.description.abstract Las ondas electromagnéticas en la región de terahercios de 0.1 a 30 THz, cuyo espectro está contenido entre las regiones del infrarrojo y las microondas, han sido intensamente utilizadas en la investigación científica e ingeniería de materiales. El grafeno, una única capa de átomos de carbono constituída por una red hexagonal con banda prohibida de energía cero y lo nanotubo de carbono como una lámina de grafeno enrollado formando un cilindro, han sido ampliamente reconocidos como la opción perfecta para la siguiente generación de aplicaciones optoelectrónicas ultrarrápidas y de alto rendimiento para operar en la región de terahercios. Medir la conductividad eléctrica y la respuesta de las portadoras de materiales tan delgados en dispositivos de medida es difícil debido a los problemas que supone el conectarlos físicamente. La espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo (THz-TDS) es una herramienta que no requiere contacto físico para medir parámetros ópticos y eléctricos de semiconductores y semimetales a escala nanométrica. En este trabajo se analiza las señales THz-TDS de las referencias y de las mediciones de las muestras. Se estudia la dependencia en frecuencia en el rango de THz, principalmente en las frecuencias de 0,1 a 2 THz, de las propiedades eléctricas y ópticas de nanoestructuras de materiales como el grafeno desde la transmisión y reflexión de un sistema propio de THz-TDS. La conductividad en DC no pudo ser directamente determinada, ya que la potencia disponible en THz decae abruptamente por debajo del nivel de ruido para bajas frecuencias. Los parámetros electrónicos y ópticos dependientes de la frecuencia son ruidosos debido al poco espesor de las láminas en comparación con los gruesos sustratos y también a la limitada sensibilidad del sistema THz-TDS por encima de 1,5 THz. En esta tesis se obtiene, por primera vez, la caracterización y el análisis espectroscópico de muestras como el grafeno depositado sobre un sustrato de cuarzo, no únicamente en el rango de THz sino también en frecuencia cero, esto es, en DC así como en la región del infrarrojo lejano. Los valores de conductividad de tan frágiles muestras son extraídos a partir de medidas sin contacto a frecuencias de THz mediante elaborados modelos de Drude y no-Drude que se ajustan a los datos experimentales, proveyéndonos de información de la física y la conductividad eléctrica de dichos materiales. El transporte, el scattering y la densidad de portadores cercana al punto de Dirac del grafeno y nanoestructuras de carbono son calculadas combinando las medidas en THZ con los modelos de Drude/no-Drude de la conductividad. Este procedimiento es validado mediante la concordancia de la conductividad DC extraída de las medidas de THz con las medidas clásicas de contacto en cuatro puntos a nivel micrométrico. Las características extrapoladas a partir de medidas de THz nos permiten predecir la frecuencia de corte de dichos materiales antes de ser utilizados en dispositivos optoelectrónicos. Esta tesis presenta una aplicación comercialmente relevante de técnicas y análisis THz-TDS sin contacto para la caracterización eléctrica de semiconductores a escala nanométrica y polímeros con alta movilidad en la nueva generación de dispositivos optoelectrónicos.
dc.description.sponsorship This Ph.D. project was partially financed by the project (MITEPHO, 238393 ITN) Microwave and TErahertz PHOtonic under the European Commission. I have also received financial support for an extra year from the project (OILTEBIA, 317526 ITN) Optical Imaging and Laser TEchniques for BIomedical Applications funded by the European Commission.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Optoelectronics
dc.subject.other Electromagnetic waves
dc.subject.other Terahertz time-domain spectroscopy
dc.subject.other Nanometrics semiconductors
dc.subject.other Graphene
dc.title Terahertz time-domain spectroscopy to characterize graphene nanostructures for new optoelectronic applications
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Electrónica
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
dc.relation.projectID info:eu-repo/grantAgreement/EC/FP7/238393
dc.relation.projectID info:eu-repo/grantAgreement/EC/FP7/317526
dc.description.responsability Presidente: Ramón Gonzalo García.- Secretario: Guillermo Carpintero del Barrio.- Vocal: Yahya Moubarak Meziani
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Tecnología Electrónica
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