Vlastnosti 2D materiálů v terahertzové spektrální oblasti

• Thesis title in Czech: Vlastnosti 2D materiálů v terahertzové spektrální oblasti
• Thesis title in English: Properties of 2D materials in terahertz spectral range
• Key words: 2D materiály|grafén|nanostruktury plazmonické excitace|terahertzová spektroskopie|ultrarychlá spektroskopie|SNOM
• English key words: 2D materials|graphene|nanostructures|plasmonic excitations|terahertz spectroscopy|ultrafast spectroscopy|SNOM
• Academic year of topic announcement: 2025/2026
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: RNDr. Lukáš Nádvorník, Ph.D.
• Advisors: doc. RNDr. Petr Kužel, Ph.D.

Guidelines

Časově rozlišená terahertzová (THz) spektroskopie využívá pikosekundových a sub-pikosekundových pulsů generovaných v THz spektrální oblasti (typicky 0.1–10 THz) k bezkontaktnímu sondování stacionární vysokofrekvenční vodivosti a ultrarychlé fotovodivosti vzorků. THz odezva 2D materiálů a struktur souvisí s transportem nosičů náboje v rovině vrstvy na pikosekundové až nanosekundové časové škále a na prostorové škále v řádu několika stovek nanometrů. Nedávný rozvoj THz zobrazovacích metod v blízkém poli (THz scanning near-feld optical microscope, THz-SNOM) též umožňuje zkoumání lokálních vlasností nanostrukturovaných vrstev 2D materiálů.
Tato práce přispěje k fundamentálnímu porozumění transportu náboje v 2D materiálech a nanostrukturách, případně též k výzkumu jejich nelineární odezvy.
Náplní práce bude studium dynamiky nositelů náboje a plazmonových excitací v různě strukturovaných epitaxních grafénových vrstvách a v dalších 2D materiálech (například v různých sloučeninách na bázi molybdenu). Interpretace experimentálních výsledků bude řešena v rámci známých modelů transportu náboje a též modelováním interakce strukturovaných fotovodivých materiálů s elektromagnetickým zářením pomocí softwaru COMSOL. Experimentální zařízení zahrnuje několik THz spektrometrů v časové oblasti vyvinutých v naší laboratoři pro měření vzorků v rovnovážném stavu a pro časově rozlišené experimenty typu optická excitace – THz sondování (s frekvenčním rozsahem 0.1–3 THz a 0.8–20 THz); rovněž využijeme zařízení THz-SNOM (Neaspec) s možností provádět experimenty optické excitace – THz sondování jednotlivých nanostruktur v blízkém poli. Student se též bude účastnit budování nelineární THz laboratoře a ke konci studia ji bude moci využít pro studium nelineární odezvy materiálů. Disertace bude připravena v rámci Laboratoře Optospintroniky, společné laboratoře MFF UK a FZU AVČR. V případě potřeby mohou být též naplánována měření s intenzivními zdroji THz záření v zahraničí (např. ELI Attosecond v Szegedu, FELBE v Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf).

References

Books:
S. L. Dexheimer, Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications (CRC Press, Boca Raton, 2017).
P.A.D. Gonçalves and N.M.R. Peres, An introduction to Graphene plasmonics (World Scientific, Singapore, 2016).


Papers and reviews:
R. Ulbricht, E. Hendry, J. Shan, T. F. Heinz, and M. Bonn, Carrier dynamics in semiconductors studied with time-resolved terahertz spectroscopy, Rev. Mod. Phys. 83, 543-586 (2011)
J. Lloyd-Hughes and T.-I. Jeon, A review of the terahertz conductivity of bulk and nano-materials, J. Infrared Milli. THz. Waves 33, 871-925 (2012)
P. Kužel and H. Němec, Terahertz conductivity in nanoscaled systems: effective medium theory aspects, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 374005 (2014).
P. Kužel and H. Němec, Terahertz spectroscopy of nanomaterials: a close look at charge-carrier transport, Adv. Opt. Mater. 7, 1900623 (2020).
S. Mitra, L. Avazpour, and I. Knezevic, Terahertz conductivity of two-dimensional materials: a review, J. Phys. Condens. Matter., in print, DOI: 10.1088/1361-648X/adab6a
I. Ivanov, M. Bonn, Z. Mics, and D. Turchinovich, Perspective on terahertz spectroscopy of graphene, EPL 111, 67001 (2015)
V. C. Paingad, J. Kunc, M. Rejhon, I. Rychetský, I. Mohelský, M. Orlita, and P. Kužel, Ultrafast plasmon thermalization in epitaxial graphene probed by time-resolved THz spectroscopy, Adv. Funct. Mater. 31, 2105763 (2021).
Y. Wu et al., Emerging probing perspective of two-dimensional materials physics: terahertz emission spectroscopy, Light Science & Applications 13, 146 (2024).
J. Shi et al., THz photonics in two dimensional materials and metamaterials: properties, devices and prospects, J. Mat. Chem. C 6, 1291 (2018).