Time- and spatially-resolved optical spectroscopy of MoS2 monolayers
Final Report Abstract
Die Untersuchung zweidimensionaler Kristallstrukturen, die mittels Exfoliation aus van-der-Waals-gebundenen Volumenkristallen hergestellt werden können, ist ein rapide wachsendes Forschungsgebiet. In den vergangenen Jahren waren die Übergangsmetall-Dichalcogenide (ÜMDs) neben Graphen die am intensivsten untersuchten Materialien, mit faszinierenden Eigenschaften wie einer im Limes der Monolage direkten Bandlücke, extrem hoher Exzitonen-Bindungsenergien und einer Kopplung der Spin- und Valley-Freiheitsgrade. Beim direkten Vergleich von per chemical vapor deposition hergestellten, großflächigen MoS2-Filmen mit mechanisch exfolierten MoS2-Flocken konnten wir charakteristische Unterschiede der optischen Qualität und der Kopplung an das Substrat nachweisen. Mechanisch exfolierte Flocken zeigen deutlich geringere Linienbreiten als CVD-Filme und sind damit für optische Spektroskopie zur Untersuchung fundamentaler Materialeigenschaften besser geeignet, jedoch erfordern viele komplexere Spektroskopietechniken großflächige Proben auf spezifischen Substraten. Durch die Optimierung eines Trocken-Transfer-Prozesses konnten wir gezielt ÜMD-Monolagen mit typischen Kantenlängen von mehr als 100 µm definiert auf beliebige Substrate aufbringen. Diese Proben wurden in unserer eigenen Arbeitsgruppe und in Kooperationen mit anderen Arbeitsgruppen für zeitaufgelöste Kerr-Spektroskopie, THz-Pump-Probe-Spektroskopie und kohärente 2D-Spektroskopie genutzt. Neben MoS2 konnten wir so auch WS2 und die Diselenide MoSe2 und WSe2 mit verschiedenen optischen Spektroskopie-Techniken untersuchen. In WS2-Monolagen konnten wir in Tieftemperatur-Photolumineszenz-Messungen neben Exzitonen auch geladene Exzitonen (Trionen) und Biexzitonen nachweisen und eine Aufspaltung der Trionen-Emission aufgrund der spezifischen Bandstruktur von WS 2 beobachten. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Untersuchungen war die Valley-Physik in ÜMD-Monolagen. Durch zirkular polarisierte, resonante Anregung kann gezielt eine exzitonische Valley-Polarisation erzeugt werden. Mit zeitaufgelöster Kerr-Spektroskopie konnten wir zeigen, dass ein Großteil dieser Valley-Polarisation in WS2- Monolagen in wenigen Pikosekunden abklingt, ein Bruchteil jedoch durch Bildung von dunklen Exzitonen über Hunderte von Pikosekunden beobachtbar bleibt. Ein direkter Vergleich von WS 2 mit WSe2 und MoS2 zeigte, dass diese dunklen Exzitonen aufgrund der Spin-Aufspaltung im Leitungsband in den Wolfram-basierten ÜMDs auftreten, in MoS2 jedoch nicht. In Experimenten am Hochfeld-Labor Nijmegen konnten wir die Energie-Entartung der Valleys in WS2-Monolagen durch hohe Magnetfelder aufheben, den exzitonischen g-Faktor bestimmen und über den diamagnetischen Shift der Exzitonen-Emission den Bohr-Radius extrahieren. Zusätzlich konnten wir die Vorzugsachse der valleykohärenten PL-Emission manipulieren und eine Valley-Kohärenzzeit von etwa 250 fs extrahieren. Neben ÜMD-Monolagen haben wir auch künstliche Bilagen und ÜMD-Heterostrukturen untersucht. Verschiedene Kombinationen von ÜMD-Monolagen resultieren in einem Typ-II-Bandverlauf der Heterostruktur, der zu einer räumlichen Trennung von Elektronen und Löchern in benachbarte Lagen führt. Diese Elektron-Loch-Paare sind noch immer Coulomb-gebunden und bilden Interlagen-Exzitonen. Aufgrund der räumlichen Trennung zeigen diese Interlagen-Exzitonen (IEX) um viele Größenordnungen längere Lebensdauern als Exzitonen in ÜMD-Monolagen. Wir konnten die Dynamik der IEX in zeitaufgelösten PL-Messungen beobachten und Hinweise für Diffusion und dipolare Exziton-Exziton-Wechselwirkung finden. Aufgrund der Bandstruktur der ÜMDs mit den Bandextrema an den Rändern der Brillouin-Zone ergibt sich bei ÜMD-Heterostrukturen ein neuer Freiheitsgrad, die relative Orientierung der Kristallachsen der Lagen zueinander (twist angle). In Messungen am Hochfeld-Labor Nijmegen konnten wir zeigen, dass bei geschickter Wahl des twist angles die optisch aktiven IEX-Übergänge Intervalley-Übergänge sind. Durch dieses gezielte Design der Heterostruktur konnten wir einen effektiven IEX-g-Faktor gIEX=-15 erzielen, der etwa viermal größer als der g-Faktor von Monolagen-Exzitonen ist und eine nahezu vollständige Valley-Polarisation von Interlayer- Exzitonen in ausreichend großen Magnetfeldern erlaubt.
Publications
- A direct comparison of CVD-grown and exfoliated MoS2 using optical spectroscopy, Semicond. Sci. Technol. 29, 064008 (2014)
G. Plechinger, .J Mann, E. Preciado, D. Barroso, A. Nguyen, J. Eroms, C. Schüller, L. Bartels, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1088/0268-1242/29/6/064008) - Control of biaxial strain in single-layer MoS2 using local thermal expansion of the substrate , 2D Mater. 2, 015006 (2015)
G. Plechinger, A. Castellanos-Gomez, M. Buscema, H.S. J. van der Zant, G. A. Steele, A. Kuc, T. Heine, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1088/2053-1583/2/1/015006) - Identification of excitons, trions and biexcitons in single-layer WS2, Phys. Status Solidi RRL 9, 457 (2015)
G. Plechinger, P. Nagler, J. Kraus, N. Paradiso, C. Strunk, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1002/pssr.201510224) - Optical spectroscopy of interlayer coupling in artificially stacked MoS 2 layers, 2D Mater. 2, 034016 (2015)
G. Plechinger, F. Mooshammer, A. Castellanos-Gomez, G. A. Steele, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1088/2053-1583/2/3/034016) - Resonant internal quantum transitions and femtosecond radiative decay of excitons in monolayer WSe2, Nat. Mater. 14, 889 (2015)
C. Poellmann, P. Steinleitner, U. Leierseder, P. Nagler, G. Plechinger, M. Porer, R. Bratschitsch, C. Schüller, T. Korn and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/NMAT4356) - Excitonic Valley Effects in Monolayer WS2 under High Magnetic Fields, Nano Lett. 16, 7899 (2016)
G. Plechinger, P. Nagler, A. Arora, A. Granados del Águila, M. V. Ballottin,T. Frank, P. Steinleitner, M. Gmitra, J. Fabian, P. C. M. Christianen, R. Bratschitsch, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04171) - Trion fine structure and coupled spinvalley dynamics in monolayer Tungsten Disulfide, Nature Comm. 7, 12715 (2016)
G. Plechinger, P. Nagler, A. Arora, R. Schmidt, A. Chernikov, A. Granados del Águila, P. C. M. Christianen, R. Bratschitsch, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms12715) - Giant magnetic splitting inducing near-unity valley polarization in van der Waals heterostructures, Nature Comm. 8, 1551 (2017)
P. Nagler, M. V. Ballottin, A. A. Mitioglu, F. Mooshammer, N. Paradiso, C. Strunk, R. Huber, A. Chernikov, P. C. M. Christianen, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-017-01748-1) - Interlayer exciton dynamics in a dichalcogenide monolayer heterostructure, 2D Mater. 4, 025112 (2017)
P. Nagler, G. Plechinger, M. V. Ballottin, A. Mitioglu, S. Meier, N. Paradiso, C. Strunk, A. Chernikov, P. C. M. Christianen, C. Schüller, T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa7352) - Valley dynamics of excitons in monolayer dichalcogenides. Phys. Status Solidi RRL 11, 1700131 (2017)
G. Plechinger, P. Nagler, A. Arora, R. Schmidt, A. Chernikov, J. M. Lupton, R. Bratschitsch, C. Schüller, and T. Korn
(See online at https://doi.org/10.1002/pssr.201700131)
