Doctoral Thesis

Development of Fourier Transform InfraRed Spectroscopy in High Magnetic Fields

Final Thesis 12 MB Summary of Thesis 5.95 MB

Author of thesis: Ing. Jana Dubnická Midlíková, Ph.D.

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: doc. Dr. Ing. Petr Neugebauer, Ph.D.

Reviewer: Dr. Přemysl Marsik

Abstract:

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.

Keywords:

Fourier-transform infrared (FTIR) magneto-spectroscopy, FTIR magneto-spectroscopic setup,  cryogen-free superconducting magnet, single-molecule magnets, electron paramagnetic resonance, Landau levels

Date of defence

17.01.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce Ing. Dubnické Midlíkové podrobně popisuje návrh a realizaci univerzálního FTIR magnetospektroskopického zařízení pracujícího v rozsahu 50-10 000 cm−1, 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 konfigurace 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.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (STIAMN)

Field of study

Advanced nanotechnologies and microtechnologies (PNTMT)

Composition of Committee

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)

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 168,55 kB

Reviewer’s report
Dr. Přemysl Marsik

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 200,72 kB