Grafen je tek nedavno otkriveni dvo-dimenzionalan materijal s vrlo zanimljivim elektrodinamičkim svojstvima poput mogućnosti podržavanja kolektivnih oscilacija elektronskog plina (plazmona) praćenih s jakom loklizacijom elektromagnetskog polja. Cilj ovog doktorata je proučiti interakciju svjetlosti i materije u grafenu u konteksu plazmonike i drugih tehnoloških primjena ali također upotrijebiti grafen kao platformu za istaživanje pojava fizike mnoštva čestica kao što su interakcija između plazmona, fonona i drugih elementarnih pobuđenja. Plazmone i plazmon-fonon interakciju analiziramo u kontekstu aproksimacije samo-konzistentnog linearnog odziva. Pokazujemo da elektronfonon interakcija vodi k jakom gušenju plazmona kada energija plazmona prijeđe energiju optičkog fonona ali također neobično miješanje polarizacija plazmona i optičkog fonona. Plazmon-fonon vezanje je najjače kad ta dva pobuđenja imaju usporedivu energiju i impuls. Također analiziramo svojstva transverzalnog električnog plazmona u dvo-sloju grafena. Konačno pokazujemo da termalno pobuđeni plazmoni kanaliziraju i bitno pospješuju radiativni transfer topline između dvije bliske ravnine grafena. Također pokazujemo da se grafen može koristiti kao termalni emiter u termofotovoltaicima bliskog polja što vodi k velikim efikasnostima i gustoći snage. Prijenos topline u bliskom polju analiziramo u kontekstu fluktuacijske elektrodinamike.

Ključne riječi:
grafen, plazmonika, gušenja, plazmon, transverzalni elekrični mod* plazmon-fonon vezanje, blisko-polje, prijenos topline, termofotovoltaici

Graphene is a novel two-dimensional material with fascinating electrodynamic properties like the ability to support collective electron oscillations (plasmons) accompanied by tight confinement of electromagnetic fields. Our goal is to explore light-matter interaction in graphene in the context of plasmonics and other technological applications but also to use graphene as a platform for studying many body physics like the interaction between plasmons, phonons and other elementary excitations. Plasmons and plasmon-phonon interaction are analyzed within the self-consistent linear response approximation. We demonstrate that electron-phonon interaction leads to large plasmon damping when plasmon energy exceeds that of the optical phonon but also a peculiar mixing of plasmon and optical phonon polarizations. Plasmon-phonon coupling is strongest when these two excitations have similar energy and momentum. We also analyze properties of transverse electric plasmons in bilayer graphene. Finally we show that thermally excited plasmons strongly mediate and enhance the near field radiation transfer between two closely separated graphene sheets. We also demonstrate that graphene can be used as a thermal emitter in the near field thermophotovoltaics leading to large efficiencies and power densities. Near field heat transfer is analyzed withing the framework of fluctuational electrodynamics.

Keywords:
graphene, plasmonics, loss, plasmon, transverse electric mode* plasmon-phonon coupling, near-field, heat transfer, thermophotovoltaics