We describe the synthesis of bilayer graphene thin films deposited on insulating silicon carbide and report the characterization of their electronic band structure using angle-resolved photoemission. By selectively adjusting the carrier concentration in each layer, changes in the Coulomb potential led to control of the gap between valence and conduction bands. This control over the band structure suggests the potential application of bilayer graphene to switching functions in atomic-scale electronic devices.

The effectively massless, relativistic behaviour of graphene’s charge carriers—known as Dirac fermions—is a result of its unique electronic structure, characterized by conical valence and conduction bands that meet at a single point in momentum space (at the Dirac crossing energy). The study of many-body interactions amongst the charge carriers in graphene and related systems such as carbon nanotubes, fullerenes and graphite is of interest owing to their contribution to superconductivity and other exotic ground states in these systems. Here we show, using angle-resolved photoemission spectroscopy, that electron–plasmon coupling plays an unusually strong role in renormalizing the bands around the Dirac crossing energy—analogous to mass renormalization by electron–boson coupling in ordinary metals. Our results show that electron–electron, electron–plasmon and electron–phonon coupling must be considered on an equal footing in attempts to understand the dynamics of quasiparticles in graphene and related systems.

The unusual transport properties of graphene are the direct consequence of a peculiar band structure near the Dirac point. We determine the shape of the $\ensuremath{\pi}$ bands and their characteristic splitting, and find the transition from two-dimensional to bulk character for 1 to 4 layers of graphene by angle-resolved photoemission. By detailed measurements of the $\ensuremath{\pi}$ bands we derive the stacking order, layer-dependent electron potential, screening length, and strength of interlayer interaction by comparison with tight binding calculations, yielding a comprehensive description of multilayer graphene's electronic structure.

We have investigated the effects of doping on a single layer of graphene using angle-resolved photoemission spectroscopy. We show that many-body interactions severely warp the Fermi surface, leading to an extended van Hove singularity (EVHS) at the graphene $M$ point. The ground state properties of graphene with such an EVHS are calculated, analyzing the competition between a magnetic instability and the tendency towards superconductivity. We find that the latter plays the dominant role as it is enhanced by the strong modulation of the interaction along the Fermi line, leading to an energy scale for the onset of the pairing instability as large as 1 meV when the Fermi energy is sufficiently close to the EVHS.

Precise control of light–matter interactions at the nanoscale lies at the heart of nanophotonics. However, experimental examination at this length scale is challenging since the corresponding electromagnetic near-field is often confined within volumes below the resolution of conventional optical microscopy. In semiconductor nanophotonics, electromagnetic fields are further restricted within the confines of individual subwavelength resonators, limiting access to critical light–matter interactions in these structures. In this work, we demonstrate that photoelectron emission microscopy (PEEM) can be used for polarization-resolved near-field spectroscopy and imaging of electromagnetic resonances supported by broken-symmetry silicon metasurfaces. We find that the photoemission results, enabled through an in situ potassium surface layer, are consistent with full-wave simulations and far-field reflectance measurements across visible and near-infrared wavelengths. In addition, we uncover a polarization-dependent evolution of collective resonances near the metasurface array edge taking advantage of the far-field excitation and full-field imaging of PEEM. Here, we deduce that coupling between eight resonators or more establishes the collective excitations of this metasurface. All told, we demonstrate that the high-spatial resolution hyperspectral imaging and far-field illumination of PEEM can be leveraged for the metrology of collective, non-local, optical resonances in semiconductor nanophotonic structures.