Plasmon-phonon hybridization in layered structures including graphene

We present a method to introduce several graphene sheets into the non-retarded Green’s function for a layered structure containing polar insulators, which support transverse optical phonon modes. Dispersion relations are derived to illustrate hybridization of Dirac plasmons in two graphene sheets with phonon modes in an oxide spacer layer between them.28th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases - SPIG 2016, August 29 - September 2, 2016, Belgrad

Wake effect due to excitation of plasmon-phonon hybrid modes in a graphene-sapphire-graphene structure by a moving charge

We study the wake effect due to excitation of a plasmon-phonon hybrid mode in a sandwich-like structure consisting of two doped graphene sheets, separated by a layer of Al2O3 (sapphire), which is induced by an external charged particle moving parallel to the structure.29th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases - SPIG 2018, August 28 - September 1, 2018, Belgrade

Stopping force acting on a charged particle moving over a drift-current biased supported graphene

In our recent publication we investigated the impact of plasmon-phonon hybridization on the stopping force acting on a charged particle moving parallel to a sandwich-like structure consisting of two graphene sheets separated by a layer of sapphire. In this work we evaluate the stopping force on a charged particle moving parallel to a graphene layer biased with a drift electric current supported by an insulating substrate. The dielectric function of the system is written in terms of the response function of graphene and the bulk dielectric function of the substrate. Focusing on the range of frequencies from THz to mid-infrared, the response function is expressed in terms of a frequency-dependent conductivity of graphene. The conductivity with a drift current is evaluated using the Galilean Doppler shift model. The energy loss function (the imaginary part of the negative value of the inverse dielectric function) and the stopping force are presented in the cases without and with drifting electrons, showing the effects of the drift velocity on the plasmon-phonon hybridization. The stopping force is also calculated when the drift and electron beam velocities have the same and opposite signs.Catalysts for water splitting and energy storage, April 3-5th, 2024 ; Vienna, AustriaLink to the conference website: [https://web.archive.org/web/20240409120751/http://dollywood.itp.tuwien.ac.at/~florian/Vienna_April2024/

Wake effect in interactions of ions with graphene-sapphire-graphene structure

In our recent publication1 we have studied the wake potential induced by an external charged particle that moves parallel to various sy1-Al2O3-sy2 composites, where syi (with i=1,2) may be vacuum, pristine graphene, or doped graphene. Several important parameters were fixed at their respective typical values: the distance of the charged particle from the closest surface, the thickness of the sapphire (aluminum oxide, Al2O3) layer, and the doping density (i.e., Fermi energy) of graphene. In this work we present a detailed study of the effects due to variations of all those parameters in the case of the wake potential produced by charged particle moving parallel to the graphene-Al2O3- graphene composite system, by using the dynamic polarization function of graphene within the random phase approximation for its π electrons described as Dirac’s fermions and by using a local dielectric function for the sapphire layer2 . For the velocity of the charged particle below the threshold for excitations of the Dirac plasmon in graphene, given by its Fermi velocity vF, strong effects are observed due to variation of the particle distance, while for the velocity of the charged particle above vF strong effects are observed due to varying the thickness of the Al2O3 layer, as well as due to graphene doping

The influence of dynamic polarization on charged particles interaction with carbon nanotubes in two - fluid hydrodynamic model

У овој дисертацији се разматра утицај ефеката динамичке поларизације на каналисање наелектрисаних честица кроз различите типове једнослојних угљеничних наноцеви (SWNT). На почетку анализе разматра се интеракција наелектрисаних честица са четири различита типа наноцеви у оквиру линеаризованог дводимензионог једнофлуидног и двофлуидног хидродинамичког модела. Типови наноцеви који се разматрају су SWNT(6, 4), SWNT(8, 6), SWNT(11, 9) и SWNT(15, 10). Поменути хидродинамички модели се користе за рачунање потенцијала лика где се на тај начин разматра утицај на кретање наелектрисаних честица дуж путање паралелне са осом наноцеви. Брзине кретања протона се узимају у опсегу од 1 до 10 a.u.. Протон средње кинетичке енергије (реда MeV) изазива појаву снажне динамичке поларизације валентних електрона на омотачу наноцеви што као ефекат има индуковање значајне силе лика на протон, односно појаву губитака енергије услед ексцитације поменутих електрона. Показано је да динамичка сила лика изазива снажан утицај на угаону расподелу каналисаних протона кроз кратке наноцеви. Установљено је да су ове нове појаве посебно изражене када се брзина каналисаних честица поклапа са фазном брзином квазиакустичног π плазмона. Анализа је укључила генерисање нумеричких резултата којима је приказан утицај фактора пригушења, радијуса наноцеви и почетне позиције каналисане честице на потенцијал лика унутар наноцеви. Извршено је поређење добијених резултата за потенцијал лика за случај једнофлуидног и двофлуидног модела за различите типове наноцеви. Такође је извршена рачунарска симулација каналисања честица као и поређење просторне и угаоне расподеле каналисаних честица у случају поменутих хидродинамичких модела. У наставку се анализира интеракција протона са SWNT(6, 4) где се узимају у обзир ефекти динамичке поларизације у оквиру дводимензионог проширеног хидродинамичког модела. Овај модел се користи за аналитичко и нумеричко рачунање потенцијала лика и зауставне силе на протон који се креће паралелно са осом наноцеви у случајевима када је трајекторија његовог кретања унутар и ван наноцеви. Опсег брзина који се разматра је од 0.5 до 15 a.u.. Разматра се утицај ефеката различитих угаоних модова на зависност потенцијала лика од брзине протона за различите типове наноцеви. Такође се рачуна просторна и угаона дистрибуција протона у случају проширеног двофлуидног модела и пореди са случајем обичног двофлуидног модела са нултим фактором пригушења. На крају се анализира интеракција наелектрисаних честица са правим и закривљеним једнослојним наноцевима при условима каналисања када је урачуната динамичка поларизација валентних електрона угљеника. Поларизација је описана линеаризованим двофлуидним хидродинамичким моделом са параметрима одређеним из неколико независних експеримената у вези са спектроскопијом губитака енергије у угљеничним наноструктурама. Хидродинамички модел се користи за израчунавање потенцијала лика индукованог кретањем протона кроз четири поменута типа наноцеви при брзини од 3 атомске јединице. Потенцијал лика се потом додаје на Дојл-Тарнеов атомски потенцијал у циљу добијања укупног потенцијала у правим и закривљеним наноцевима. На основу ових прорачуна симулира се процес каналисања протонског снопа и одређује просторна и угаона расподела каналисаних протона кроз закривљене наноцеви и пореде добијени резултати са случајем када се не узима у обзир динамичка поларизација и потенцијал лика.In this dissertation the effects of dynamic polarization on charged particles channeling through various types of single – walled carbon nanotubes (SWNTs) are studied. At the very beginning of the analyze the interactions of charged particles with 4 different types of SWNTs by means of linearized two dimensional one and two fluid hydrodynamic models are studied. Types of SWNTs are (6, 4), (8, 6), (11, 9) and (15, 10). The models are used to calculate the image potential for a charged particle moving parallel to the axis of the SWNTs. Proton speeds between 1 and 10 a.u. are chosen. A proton that moves with average energy (MeV) will induce a strong dynamic polarization of valence electrons in the nanotubes which in turn will give rise to a sizeable image force on the proton, as well as a considerable energy loss due to the collective, or plasma, excitations of those electrons. The dynamic image force was shown to exert large influence in the angular distributions of protons channelled through short SWNTs. It is found that these quantities exhibit novel features when the particle speed matches the phase velocity of the quasiacoustic π plasmon. Numerical results are obtained to show the influence of the damping factor, the nanotube radius, and the particle position on the image potential inside the nanotube. Results for image potential in the one and two fluid hydrodynamic models are compared for different types of nanotubes. The spatial and angular distributions of protons are also computed and compared for the two models. After that, we study the interaction of charged particles with a SWNT(6, 4) under channelling conditions by means of the linearized, two dimensional (2D), two-fluid extended hydrodynamic model. We use the model to calculate analytically and numerically the image potential and the stopping force for a proton moving parallel to the axis of the SWNT, both inside and outside the nanotube at the speeds from 0.5 a.u. to 15 a.u.. The effects of different angular modes on the velocity dependence of the image potential are compared for a proton moving in different types of SWNTs. We also compute the spatial and angular distributions of protons in the 2D two-fluid extended hydrodynamic model and compare them with the 2D two-fluid hydrodynamic model with zero damping. At the end we investigate the interaction of charged particles with straight and bent single-walled carbon nanotubes under channelling conditions in the presence of dynamic polarization of the valence electrons in carbon nanotube wall. This polarization is described by a linearized, two-fluid hydrodynamic model with the parameters taken from recent modelling of several independent experiments on electron energy loss spectroscopy of carbon nanostructures. We use the hydrodynamic model to calculate the image potential for protons moving through four types of SWNTs at the speed of 3 atomic units. The image potential is then combined with the Doyle-Turner atomic potential to obtain the total potential in the bent carbon nanotubes. Based on that potential, we also compute the spatial and angular distributions of protons channeled through the bent carbon nanotubes, and compare the results with the distributions obtained without taking into account the image potential

The influence of dynamic polarization on charged particles interaction with carbon nanotubes in two - fluid hydrodynamic model

У овој дисертацији се разматра утицај ефеката динамичке поларизације на каналисање наелектрисаних честица кроз различите типове једнослојних угљеничних наноцеви (SWNT). На почетку анализе разматра се интеракција наелектрисаних честица са четири различита типа наноцеви у оквиру линеаризованог дводимензионог једнофлуидног и двофлуидног хидродинамичког модела. Типови наноцеви који се разматрају су SWNT(6, 4), SWNT(8, 6), SWNT(11, 9) и SWNT(15, 10). Поменути хидродинамички модели се користе за рачунање потенцијала лика где се на тај начин разматра утицај на кретање наелектрисаних честица дуж путање паралелне са осом наноцеви. Брзине кретања протона се узимају у опсегу од 1 до 10 a.u.. Протон средње кинетичке енергије (реда MeV) изазива појаву снажне динамичке поларизације валентних електрона на омотачу наноцеви што као ефекат има индуковање значајне силе лика на протон, односно појаву губитака енергије услед ексцитације поменутих електрона. Показано је да динамичка сила лика изазива снажан утицај на угаону расподелу каналисаних протона кроз кратке наноцеви. Установљено је да су ове нове појаве посебно изражене када се брзина каналисаних честица поклапа са фазном брзином квазиакустичног π плазмона. Анализа је укључила генерисање нумеричких резултата којима је приказан утицај фактора пригушења, радијуса наноцеви и почетне позиције каналисане честице на потенцијал лика унутар наноцеви. Извршено је поређење добијених резултата за потенцијал лика за случај једнофлуидног и двофлуидног модела за различите типове наноцеви. Такође је извршена рачунарска симулација каналисања честица као и поређење просторне и угаоне расподеле каналисаних честица у случају поменутих хидродинамичких модела. У наставку се анализира интеракција протона са SWNT(6, 4) где се узимају у обзир ефекти динамичке поларизације у оквиру дводимензионог проширеног хидродинамичког модела. Овај модел се користи за аналитичко и нумеричко рачунање потенцијала лика и зауставне силе на протон који се креће паралелно са осом наноцеви у случајевима када је трајекторија његовог кретања унутар и ван наноцеви. Опсег брзина који се разматра је од 0.5 до 15 a.u.. Разматра се утицај ефеката различитих угаоних модова на зависност потенцијала лика од брзине протона за различите типове наноцеви. Такође се рачуна просторна и угаона дистрибуција протона у случају проширеног двофлуидног модела и пореди са случајем обичног двофлуидног модела са нултим фактором пригушења. На крају се анализира интеракција наелектрисаних честица са правим и закривљеним једнослојним наноцевима при условима каналисања када је урачуната динамичка поларизација валентних електрона угљеника. Поларизација је описана линеаризованим двофлуидним хидродинамичким моделом са параметрима одређеним из неколико независних експеримената у вези са спектроскопијом губитака енергије у угљеничним наноструктурама. Хидродинамички модел се користи за израчунавање потенцијала лика индукованог кретањем протона кроз четири поменута типа наноцеви при брзини од 3 атомске јединице. Потенцијал лика се потом додаје на Дојл-Тарнеов атомски потенцијал у циљу добијања укупног потенцијала у правим и закривљеним наноцевима. На основу ових прорачуна симулира се процес каналисања протонског снопа и одређује просторна и угаона расподела каналисаних протона кроз закривљене наноцеви и пореде добијени резултати са случајем када се не узима у обзир динамичка поларизација и потенцијал лика.In this dissertation the effects of dynamic polarization on charged particles channeling through various types of single – walled carbon nanotubes (SWNTs) are studied. At the very beginning of the analyze the interactions of charged particles with 4 different types of SWNTs by means of linearized two dimensional one and two fluid hydrodynamic models are studied. Types of SWNTs are (6, 4), (8, 6), (11, 9) and (15, 10). The models are used to calculate the image potential for a charged particle moving parallel to the axis of the SWNTs. Proton speeds between 1 and 10 a.u. are chosen. A proton that moves with average energy (MeV) will induce a strong dynamic polarization of valence electrons in the nanotubes which in turn will give rise to a sizeable image force on the proton, as well as a considerable energy loss due to the collective, or plasma, excitations of those electrons. The dynamic image force was shown to exert large influence in the angular distributions of protons channelled through short SWNTs. It is found that these quantities exhibit novel features when the particle speed matches the phase velocity of the quasiacoustic π plasmon. Numerical results are obtained to show the influence of the damping factor, the nanotube radius, and the particle position on the image potential inside the nanotube. Results for image potential in the one and two fluid hydrodynamic models are compared for different types of nanotubes. The spatial and angular distributions of protons are also computed and compared for the two models. After that, we study the interaction of charged particles with a SWNT(6, 4) under channelling conditions by means of the linearized, two dimensional (2D), two-fluid extended hydrodynamic model. We use the model to calculate analytically and numerically the image potential and the stopping force for a proton moving parallel to the axis of the SWNT, both inside and outside the nanotube at the speeds from 0.5 a.u. to 15 a.u.. The effects of different angular modes on the velocity dependence of the image potential are compared for a proton moving in different types of SWNTs. We also compute the spatial and angular distributions of protons in the 2D two-fluid extended hydrodynamic model and compare them with the 2D two-fluid hydrodynamic model with zero damping. At the end we investigate the interaction of charged particles with straight and bent single-walled carbon nanotubes under channelling conditions in the presence of dynamic polarization of the valence electrons in carbon nanotube wall. This polarization is described by a linearized, two-fluid hydrodynamic model with the parameters taken from recent modelling of several independent experiments on electron energy loss spectroscopy of carbon nanostructures. We use the hydrodynamic model to calculate the image potential for protons moving through four types of SWNTs at the speed of 3 atomic units. The image potential is then combined with the Doyle-Turner atomic potential to obtain the total potential in the bent carbon nanotubes. Based on that potential, we also compute the spatial and angular distributions of protons channeled through the bent carbon nanotubes, and compare the results with the distributions obtained without taking into account the image potential

The influence of dynamic polarization on charged particles interaction with carbon nanotubes in two - fluid hydrodynamic model

У овој дисертацији се разматра утицај ефеката динамичке поларизације на каналисање наелектрисаних честица кроз различите типове једнослојних угљеничних наноцеви (SWNT). На почетку анализе разматра се интеракција наелектрисаних честица са четири различита типа наноцеви у оквиру линеаризованог дводимензионог једнофлуидног и двофлуидног хидродинамичког модела. Типови наноцеви који се разматрају су SWNT(6, 4), SWNT(8, 6), SWNT(11, 9) и SWNT(15, 10). Поменути хидродинамички модели се користе за рачунање потенцијала лика где се на тај начин разматра утицај на кретање наелектрисаних честица дуж путање паралелне са осом наноцеви. Брзине кретања протона се узимају у опсегу од 1 до 10 a.u.. Протон средње кинетичке енергије (реда MeV) изазива појаву снажне динамичке поларизације валентних електрона на омотачу наноцеви што као ефекат има индуковање значајне силе лика на протон, односно појаву губитака енергије услед ексцитације поменутих електрона. Показано је да динамичка сила лика изазива снажан утицај на угаону расподелу каналисаних протона кроз кратке наноцеви. Установљено је да су ове нове појаве посебно изражене када се брзина каналисаних честица поклапа са фазном брзином квазиакустичног π плазмона. Анализа је укључила генерисање нумеричких резултата којима је приказан утицај фактора пригушења, радијуса наноцеви и почетне позиције каналисане честице на потенцијал лика унутар наноцеви. Извршено је поређење добијених резултата за потенцијал лика за случај једнофлуидног и двофлуидног модела за различите типове наноцеви. Такође је извршена рачунарска симулација каналисања честица као и поређење просторне и угаоне расподеле каналисаних честица у случају поменутих хидродинамичких модела. У наставку се анализира интеракција протона са SWNT(6, 4) где се узимају у обзир ефекти динамичке поларизације у оквиру дводимензионог проширеног хидродинамичког модела. Овај модел се користи за аналитичко и нумеричко рачунање потенцијала лика и зауставне силе на протон који се креће паралелно са осом наноцеви у случајевима када је трајекторија његовог кретања унутар и ван наноцеви. Опсег брзина који се разматра је од 0.5 до 15 a.u.. Разматра се утицај ефеката различитих угаоних модова на зависност потенцијала лика од брзине протона за различите типове наноцеви. Такође се рачуна просторна и угаона дистрибуција протона у случају проширеног двофлуидног модела и пореди са случајем обичног двофлуидног модела са нултим фактором пригушења. На крају се анализира интеракција наелектрисаних честица са правим и закривљеним једнослојним наноцевима при условима каналисања када је урачуната динамичка поларизација валентних електрона угљеника. Поларизација је описана линеаризованим двофлуидним хидродинамичким моделом са параметрима одређеним из неколико независних експеримената у вези са спектроскопијом губитака енергије у угљеничним наноструктурама. Хидродинамички модел се користи за израчунавање потенцијала лика индукованог кретањем протона кроз четири поменута типа наноцеви при брзини од 3 атомске јединице. Потенцијал лика се потом додаје на Дојл-Тарнеов атомски потенцијал у циљу добијања укупног потенцијала у правим и закривљеним наноцевима. На основу ових прорачуна симулира се процес каналисања протонског снопа и одређује просторна и угаона расподела каналисаних протона кроз закривљене наноцеви и пореде добијени резултати са случајем када се не узима у обзир динамичка поларизација и потенцијал лика.In this dissertation the effects of dynamic polarization on charged particles channeling through various types of single – walled carbon nanotubes (SWNTs) are studied. At the very beginning of the analyze the interactions of charged particles with 4 different types of SWNTs by means of linearized two dimensional one and two fluid hydrodynamic models are studied. Types of SWNTs are (6, 4), (8, 6), (11, 9) and (15, 10). The models are used to calculate the image potential for a charged particle moving parallel to the axis of the SWNTs. Proton speeds between 1 and 10 a.u. are chosen. A proton that moves with average energy (MeV) will induce a strong dynamic polarization of valence electrons in the nanotubes which in turn will give rise to a sizeable image force on the proton, as well as a considerable energy loss due to the collective, or plasma, excitations of those electrons. The dynamic image force was shown to exert large influence in the angular distributions of protons channelled through short SWNTs. It is found that these quantities exhibit novel features when the particle speed matches the phase velocity of the quasiacoustic π plasmon. Numerical results are obtained to show the influence of the damping factor, the nanotube radius, and the particle position on the image potential inside the nanotube. Results for image potential in the one and two fluid hydrodynamic models are compared for different types of nanotubes. The spatial and angular distributions of protons are also computed and compared for the two models. After that, we study the interaction of charged particles with a SWNT(6, 4) under channelling conditions by means of the linearized, two dimensional (2D), two-fluid extended hydrodynamic model. We use the model to calculate analytically and numerically the image potential and the stopping force for a proton moving parallel to the axis of the SWNT, both inside and outside the nanotube at the speeds from 0.5 a.u. to 15 a.u.. The effects of different angular modes on the velocity dependence of the image potential are compared for a proton moving in different types of SWNTs. We also compute the spatial and angular distributions of protons in the 2D two-fluid extended hydrodynamic model and compare them with the 2D two-fluid hydrodynamic model with zero damping. At the end we investigate the interaction of charged particles with straight and bent single-walled carbon nanotubes under channelling conditions in the presence of dynamic polarization of the valence electrons in carbon nanotube wall. This polarization is described by a linearized, two-fluid hydrodynamic model with the parameters taken from recent modelling of several independent experiments on electron energy loss spectroscopy of carbon nanostructures. We use the hydrodynamic model to calculate the image potential for protons moving through four types of SWNTs at the speed of 3 atomic units. The image potential is then combined with the Doyle-Turner atomic potential to obtain the total potential in the bent carbon nanotubes. Based on that potential, we also compute the spatial and angular distributions of protons channeled through the bent carbon nanotubes, and compare the results with the distributions obtained without taking into account the image potential

Image potential and stopping force in the interaction of fast ions with carbon nanotubes: The extended two-fluid hydrodynamic model

We study the interaction of charged particles with a (6, 4) single-walled carbon nanotube (SWNT) under channeling conditions by means of the linearized, two dimensional (2D), two-fluid extended hydrodynamic model. We use the model to calculate analytically and numerically the image potential and the stopping force for a proton moving parallel to the axis of the SWNT, both inside and outside the nanotube at the speeds from 0.5 a.u. to 15 a.u. The effects of different angular modes on the velocity dependence of the image potential are compared for a proton moving in different types of SWNTs. We also compute the spatial and angular distributions of protons in the 2D two-fluid extended hydrodynamic model and compare them with the 2D two-fluid hydrodynamic model with zero damping. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved

Carbon Nanotubes Characterization by Channeled Fast Ions Spatial and Angular Distribution Fingerprints

In this paper we investigate possibility of carbon nanotubes characterization by differentiation in spatial and angular distribution fingerprints obtained by fast ions channeling. We analyze straight single walled carbon nanotubes (SWNTs) interacting with fast ion beams. We calculate the image potential for protons moving through the four types of SWNTs at the speeds of 3 a.u.. We calculate total potential in straight carbon nanotubes. Interaction of channelled ions with nanotube electrons we calculate by linearized, two dimensional (2D), extended two-fluid hydrodynamic model. We simulate ion beams channelling through the four types of SWNTs under calculated conditions of interaction and calculate spatial and angular distributions of channelled particles what we use as method for different SWNTs characterization.5th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), Jun 12-16, 2016, Bar, Montenegr

Wake effect in the interaction of an external charged particle with a graphene-sapphire-graphene structure due to excitation of plasmon-phonon hybrid modes

We study the wake effect due to excitation of a plasmon-phonon hybrid mode in a sandwich-like structure consisting of two doped graphene sheets, separated by a layer of Al2O3 (sapphire), which is induced by an external charged particle moving parallel to the structure. The response function of each graphene is obtained using two approaches within the random phase approximation: an ab initio method that includes all electronic bands in graphene and a computationally less demanding method based on the massless Dirac fermion (MDF) approximation for the low-energy excitations of electrons in the π bands. The response of the sapphire layer is described by a dielectric function consisting of several Lorentzian terms. We evaluate the total electrostatic potential in the plane of the upper graphene sheet for a particle moving at the sub-threshold speed for the wake effect in a single, free graphene. We show that, when the space between graphene sheets is air, there is only a sharp, somewhat asymmetric peak in the potential at the position of the particle. On the other hand, when the space is filled with sapphire, there is a prominent wake pattern in the potential behind the particle resulting from a low-frequency plasmon-phonon mode. It can be noted that the analytical MDF model reproduces the overall shape and the period of quasi-oscillations in the wake potential obtained from the ab initio calculations.Bucharest CA 15107 Fall Meeting : September 6-7, Bucharest, Romania, 2018