Fourier transform infrared spectroscopy of twisted bilayer graphene

Abstract

(English) The goal of this thesis is to probe the infrared optical response of twisted bilayer graphene (TBG) using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). First, I used a commercial FTIR to measure the TBG in the mid-infrared range at room temperature. I improved the device fabrication technique and fabricated the TBG devices with a large area and simultaneously a low inhomogeneity. I observe that the TBG has abundant optical absorption features originating from the interband transitions that are uniquely determined by the twist angle. Then, I want to probe the interband transition of the TBG that lies in the terahertz range, which evolves the flat band of the TBG that hosts strongly correlated effects. I built a homemade FTIR that works in both the mid-infrared and terahertz range. I wired the cryostat carefully and achieved an electrical noise level approaching the Johnson noise limit. By guiding the light from the FITR into the cryostat, I successfully measured the exciton states in the Bernal bilayer graphene device over a broad spectral range, demonstrating that the system is ready for future experimental study of TBG.

(Català) L'objectiu d'aquesta tesi és sondar la resposta òptica infraroja del grafè de bicapa retorçada (TBG) mitjançant l'espectroscòpia infraroja de transformada de Fourier (FTIR). Primer, vaig utilitzar un FTIR comercial per mesurar el TBG en el rang d'infraroig mitjà a temperatura ambient. Vaig millorar la tècnica de fabricació del dispositiu i vaig fabricar els dispositius TBG amb una gran àrea i alhora una baixa deshomogeneïtat. Observo que el TBG té abundants característiques d'absorció òptica originades a partir de les transicions entre bandes que es determinen únicament per l'angle de gir. Aleshores, vull investigar la transició entre bandes del TBG que es troba en el rang de terahertzs, que evoluciona la banda plana del TBG que allotja efectes fortament correlacionats. Vaig construir un FTIR casolà que funciona tant en l'infraroig mitjà com en el rang de terahertz. Vaig connectar el criostat amb cura i vaig aconseguir un nivell de soroll elèctric que s'acostava al límit de soroll de Johnson. En guiar la llum del FITR al criostat, vaig mesurar amb èxit els estats d'excitons al dispositiu de grafè de bicapa Bernal en un ampli rang espectral, demostrant que el sistema està preparat per a futurs estudis experimentals de TBG.

(Español) El objetivo de esta tesis es investigar la respuesta óptica infrarroja del grafeno bicapa retorcido (TBG) mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Primero, utilicé un FTIR comercial para medir el TBG en el rango del infrarrojo medio a temperatura ambiente. Mejoré la técnica de fabricación del dispositivo y fabriqué los dispositivos TBG con un área grande y, al mismo tiempo, una baja inhomogeneidad. Observé que el TBG tiene abundantes características de absorción óptica que se originan a partir de las transiciones entre bandas que están determinadas únicamente por el ángulo de torsión. Luego, quiero investigar la transición entre bandas del TBG que se encuentra en el rango de terahercios, que desarrolla la banda plana del TBG que alberga efectos fuertemente correlacionados. Construí un FTIR casero que funciona tanto en el rango del infrarrojo medio como en el de los terahercios. Conecté el criostato con cuidado y logré un nivel de ruido eléctrico que se acerca al límite de ruido de Johnson. Al guiar la luz desde el FITR hacia el criostato, medí con éxito los estados de excitón en el dispositivo de grafeno bicapa de Bernal en un amplio rango espectral, lo que demuestra que el sistema está listo para futuros estudios experimentales de TBG.