Интеракција јона са графен-изолатор-графен композитним системима

Abstract

У овој дисертацији је испитивана хибридизација Дираковог плазмона из графена и површинских оптичких фонона из Al2O3 слоја анализирањем интеракције јона, који се креће паралелно изнад графен-изолатор-графен система, са споменутим композитима. Другим речима, проучаван је утицај те хибридизације на ефекат таласа у потенцијалу који се индукује у горњој површини система, као и на зауставну силу и силу лика које делују на упадну честицу. Ефективна диелектрична функција система, потребна при израчунавању наведених величина, добијена је на два начина: методом на бази безмасених Диракових фермиона (MDF) и проширеним хидродинамичким моделом (eHD). Добијени резултати су упоређени са ab initio методом, те је констатовано да се за ефекат таласа MDF модел слаже са ab initio када је брзина честице испод или мало изнад Фермијеве брзине у графену, док се еHD модел може користити за брзине доста изнад Фермијеве. Показано је како на облик, амплитуду, период осцилација и просторни домет таласног ефекта у индукованом потенцијалу утичу концентрација носилаца наелектрисања у графену, дебљина изолаторског слоја и његова диелектрична својства, фактор пригушења Дираковог плазмона, али и брзина упадне наелектрисане честице, као и њена удаљеност од самог система. Приликом прорачуна зауставне силе и силе лика добијено је да главни разлог неслагања међу методама представља утицај високоенергетских међузонских прелаза електрона који су укључени у ab initio, али не и у MDF моделу. Посебна пажња је посвећена ниском режиму брзина у ком се MDF веома добро слаже са ab initio методом.

In this dissertation the hybridization of Dirac plasmon coming from graphene and surface optical phonons from Al2O3 layer is studied by analyzing the interaction of ion, which moves parallel and above of the graphene-insulator-graphene systems, and aforementioned composites. In another word, the impact of that hybridization on wake potential induced in top surface of the system is considered, as well as on the stopping and image forces acting on the incident particle. Effective dielectric function needed to calculate mentioned quantities is obtained using two methods: model based on the massless Dirac fermions (MDF) and the extended hydrodynamic (eHD) model. Results were compared with the ab initio method and it was found that for the wake effect, MDF model agrees with ab initio when particle speed is below or above Fermi velocity in graphene, while eHD should be used for speeds well above the Fermi velocity. It is shown how the doping density of graphene, the thickness of the Al2O3 layer and its dielectric properties, the damping factor of Dirac plasmon, but also the incident particle speed, and its distance from the system affect the shape, magnitude, wavelength, and spatial distribution of the induced wake potential. For the stopping force and image force it is procured that the main reason for discrepancies between methods is the impact of the highenergy interband electron transitions, which are included in the ab initio method, but not in the MDF method. Special attention is paid to the regime of low-particle speeds, where the MDF method compares well with the ab initio method.