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Thesis

Towards on-chip THz spectroscopy of quantum materials and heterostructures

MPS-Authors
/persons/resource/persons247662

Kipp,  G.
Dynamics and Transport in Nanostructures, Condensed Matter Dynamics Department, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society;

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Fulltext (public)

Kipp_Gunda_MasterThesis_3.3.pdf
(Publisher version), 20MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Kipp, G. (2019). Towards on-chip THz spectroscopy of quantum materials and heterostructures. Master Thesis, Universität Hamburg, Hamburg.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0006-6B43-7
Abstract
On-chip THz spectroscopy is a powerful tool to investigate the low-energy dynamics of solids. THz pulses generated by photoconductive switches are confined to the near-field by metallic transmission lines, which allows studying micrometer sized heterostructures of different van der Waals materials. Routing sub-picosecond electrical pulses over several millimeters requires a transmission line geometry that avoids dispersion and damping. In this thesis, different geometries are fabricated and characterized to optimize the propagation of THz pulses for on-chip measurements. In addition, electromagnetic simulations are performed and compared to measured data. The transmission lines are fabricated by optical lithography, thermal evaporation, and lift-off processing. This includes the integration of a heater stage in the thermal evaporator to grow high-quality metal / oxide substrates. The novel transmission line geometry developed for on-chip spectroscopy measurements provides improved signal propagation and a rather simple fabrication process. To implement on-chip THz spectroscopy in complementary experiments, the photoconductive switches are required to be operated without direct optical access. In the framework of this thesis, first steps are taken to integrate the on-chip circuitry into a scanning near field optical microscopy (SNOM) setup at the Columbia University in New York. Triggering photoconductive switches with fiber-coupled laser pulses is tested and a stage is designed that allows sample mounting, beam alignment, as well as focusing via fiber optics in the SNOM.
On-Chip-THz-Spektroskopie ist eine leistungsstarke Methode zur Untersuchung der niederenergetischen Dynamik von Festkörpern. Von photoleitenden Schaltern erzeugte THz-Pulse werden durch metallische Leitungen auf das Nahfeld begrenzt. Dadurch ist es möglich wenige Mikrometer große Heterostrukturen, welche aus verschiedenen van der Waals-Materialien zusammengesetzt sind, zu untersuchen. Um elektrische Pulse mit einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde über mehrere Millimeter zu übertragen, wird eine Leitungsgeometrie benötigt, die Dispersion und Dämpfung gering hält. In dieser Arbeit werden verschiedene Geometrien hergestellt und charakterisiert, um die Propagation von THz-Pulsen für On-Chip-Messungen zu optimieren. Zusätzlich werden elektromagnetische Simulationen durchgeführt und mit den gemessenen Daten verglichen. Die optimierten Signalleitergeometrien werden mittels optischer Lithographie, thermischer Deposition und Lift-off-Prozessen hergestellt. Dazu gehört die Integration eines beheizbaren Probenhalters in die thermische Verdampfungsanlage, um hochwertige Metall/ Oxid-Substrate zu erzeugen. Die neu entwickelte Leitungsgeometrie für On-Chip-Spektroskopie-Messungen überzeugt durch eine geringe Dämpfung und Dispersion in Kombination mit einem vergleichsweise einfachen Herstellungsverfahren. Um die On-Chip-THz-Spektroskopie in komplementären Experimenten einsetzen zu können, müssen die photoleitenden Schalter ohne direkten optischen Zugang betrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden erste Schritte zur Integration der THz Schaltkreise in einen SNOM-Aufbau an der Columbia Universität in New York realisiert. Um die photoleitenden Schalter mit Laserpulsen zu betreiben, werden die Pulse durch optische Fasern geleitet. Zusätzlich wird ein Probenhalter entworfen, der die Kopplung, Ausrichtung sowie Fokussierung der optischen Fasern im SNOM ermöglicht.