Vývoj infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací v silných magnetických polích
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) v silných magnetických polích, zkráceně FTIR magnetospektroskopie, je výkonná spektroskopická technika používaná ke zkoumání mnoha důležitých jevů v materiálech, např. elektronové paramagnetické rezonance, cyklotronové rezonance a přechodů mezi Landauovými hladinami. Navzdory svému obrovskému potenciálu ve fyzice pevných látek jsou infračervené magnetospektrometry stále poměrně vzácné a vyráběné na zakázku, protože takové systémy obvykle vyžadují složitou infrastrukturu. Tato disertační práce podrobně popisuje návrh a realizaci univerzálního FTIR magnetospektroskopického zařízení pracujícího v rozsahu 50 – 10 000 cm-1, silném magnetickém poli až 16 T a teplotách mezi 2 – 320 K umístěné na Středoevropském technologickém institutu VUT v Brně. Toto zařízení nám umožňuje provádět různá magnetooptická měření v rozsahu od THz/vzdálené infračervené oblasti (FIR) až po blízkou infračervenou oblast (NIR). Skládá se z komerčního FTIR spektrometru spojeného s 16 T bezkryogenním supravodivým magnetem pomocí na míru navržené optické spojky a přenosových sond určených pro experimenty s více detektory a vzorky ve Faradayově geometrii. Novinka tohoto uspořádání spočívá v použití supravodivého magnetu bez kryogenu. Optimalizovali jsme a otestovali výkonnost FTIR magnetospektroskopického zařízení pro různé konfigurace a určili použitelný rozsah zařízení. Funkčnost FTIR magnetospektroskopického zařízení byla prokázána magnetooptickými měřeními štěpení při nulovém poli v jednoiontovém magnetu na bázi kobaltu(II) v oblasti FIR, nepřímých mezipásmových přechodů mezi Landauovými hladinami (LLs) v germániu v NIR oblasti a mezipásmových přechodů mezi LLs v grafenu v oblasti FIR. Kromě toho jsme změřili volt-ampérové charakteristiky grafenových bolometrických zařízení.
Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy in high magnetic fields, concisely FTIR magneto-spectroscopy, is a powerful spectroscopic technique used to investigate many important effects in materials, e.g., electron paramagnetic resonance, cyclotron resonance, and transitions between Landau levels. Despite their enormous potential in solid-state physics, infrared magneto-spectrometers are still relatively rare and custom-made since such systems generally require complex infrastructure. This doctoral thesis describes in detail the design and implementation of a versatile FTIR magneto-spectroscopic setup operating in the range of 50 – 10 000 cm-1, high magnetic field up to 16 T and temperatures between 2 – 320 K located at the Central European Institute of Technology of Brno University of Technology. This setup allows us to perform a variety of magneto-optical measurements spanning the range from THz/far-infrared (FIR) to near-infrared (NIR). It consists of a commercial FTIR spectrometer coupled to a 16 T cryogen-free superconductive magnet by the custom-designed optical coupling and transmission probes designed for experiments with multiple detectors and samples in Faraday geometry. The novelty of the setup lies in the usage of a cryogen-free superconducting magnet. We have optimized and tested the performance of the FTIR magneto-spectroscopic setup for various configurations and determined a workable setup range. The functionality of the FTIR magneto-spectroscopic setup was demonstrated by the magneto-optical measurements of the zero-field splitting in cobalt(II)-based single ion magnet in the FIR region, indirect inter-band transitions between Landau levels (LLs) in germanium in the NIR region, and inter-band transitions between LLs in graphene in the FIR region. Moreover, we measured the I-V characteristics of graphene bolometer devices.
Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy in high magnetic fields, concisely FTIR magneto-spectroscopy, is a powerful spectroscopic technique used to investigate many important effects in materials, e.g., electron paramagnetic resonance, cyclotron resonance, and transitions between Landau levels. Despite their enormous potential in solid-state physics, infrared magneto-spectrometers are still relatively rare and custom-made since such systems generally require complex infrastructure. This doctoral thesis describes in detail the design and implementation of a versatile FTIR magneto-spectroscopic setup operating in the range of 50 – 10 000 cm-1, high magnetic field up to 16 T and temperatures between 2 – 320 K located at the Central European Institute of Technology of Brno University of Technology. This setup allows us to perform a variety of magneto-optical measurements spanning the range from THz/far-infrared (FIR) to near-infrared (NIR). It consists of a commercial FTIR spectrometer coupled to a 16 T cryogen-free superconductive magnet by the custom-designed optical coupling and transmission probes designed for experiments with multiple detectors and samples in Faraday geometry. The novelty of the setup lies in the usage of a cryogen-free superconducting magnet. We have optimized and tested the performance of the FTIR magneto-spectroscopic setup for various configurations and determined a workable setup range. The functionality of the FTIR magneto-spectroscopic setup was demonstrated by the magneto-optical measurements of the zero-field splitting in cobalt(II)-based single ion magnet in the FIR region, indirect inter-band transitions between Landau levels (LLs) in germanium in the NIR region, and inter-band transitions between LLs in graphene in the FIR region. Moreover, we measured the I-V characteristics of graphene bolometer devices.
Description
Keywords
infračervená magnetospektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR), FTIR magnetospektroskopické zařízení, supravodivý magnet bez kryogenu, jednomolekulové magnety, elektronová paramagnetická rezonance, Landauovy hladiny, Fourier-transform infrared (FTIR) magneto-spectroscopy, FTIR magneto-spectroscopic setup, cryogen-free superconducting magnet, single-molecule magnets, electron paramagnetic resonance, Landau levels
Citation
DUBNICKÁ MIDLÍKOVÁ, J. Vývoj infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací v silných magnetických polích [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie
Comittee
Ing. Michal Zalibera, Ph.D. (člen)
Doc. RNDr. Jan Kunc, Ph.D. (člen)
Dr. Alexander Schnegg (člen)
Dr. Premysl Marsik (člen)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (místopředseda)
Date of acceptance
2024-01-17
Defence
Disertační práce Ing. Dubnické Midlíkové podrobně popisuje návrh a realizaci univerzálního FTIR magnetospektroskopického zařízení pracujícího v rozsahu 50-10 000 cm1, silném magnetickém poli až 16T a teplotách mezi 2-320K umístěné na Středoevropském technologickém institutu VUT v Brně. Toto zařízení umožňuje provádět různá magnetooptická měření v rozsahu od THz/vzdálené infračervené oblasti (FIR) až po blízkou infračervenou oblast (NIR). Skládá se z komerčního FTIR spektrometru spojeného s 16 T bezkryogenním supravodivým magnetem pomocí na míru navržené optické spojky a přenosových sond určených pro experimenty s více detektory a vzorky ve Faradayově geometrii. Novinka tohoto uspořádání spočívá v použití supra-vodivého magnetu bez kryogenu. Proběhla optimalizace a otestování výkonnost FTIR magnetospektroskopického zařízení pro různé kongurace a určili použitelný rozsah zařízení. Stanovené cíle práce byly splněny. Ing. Dubnická Midlíková prokázala výbornou orientaci ve zkoumané problematice a připravenost samostatně vědecky pracovat. V průběhu obhajoby odpověděla na dotazy oponentů a komise výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení