Microdisk resonators coupled with atomically thin semiconductors

Abstract

Übergangsmetall-Dichalkogenide sind eine Klasse von Materialien, die aus einzelnen Schichten aufgebaut sind. Eine solche Schicht besteht aus jeweils einer Atomlage eines Übergangsmetalls, welche zwischen zwei Lagen eines Chalkogenes eingebettet ist. Die einzelnen Atome werden durch starke kovalente Bindungskräfte zusammengehalten, während zwischen den Schichten nur schwache Van der Waals Kräfte herrschen. Dadurch ist es möglich einzelne Schichten voneinander zu lösen, wobei man in diesem Zusammenhang auch vom mechanischen Exfolieren spricht. Ein TMDC Kristall (bulk) ist ein indirekter Halbleiter. Wenn dieser Kristall zu einer Monolage ausgedünnt wird, findet ein übergang von einem indirekten- zu einem direkten Halbleiter statt. Die Verringerung der Schichtdicke bis zu einer Monolage bringt besondere Eigenschaften wie z.B. Photolumineszenz mit sich, wodurch diese Materialien besonders attraktiv für optoelektronische Anwendungen sind. Vertreter aus der Gruppe der Übergangsmetall-Dichalkogenide sind MoS2, MoSe2, WS2 und WSe2, wobei letzteres in dieser Arbeit verwendet wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung eines optischen Resonators in Form einer Mikrodisk mit einer Monolage Wolframdiselenid (WSe2) als aktives Medium. Für die Berechnung der resonanten Eigenmoden der Mikrodisks wurden dreidimensionale Finite-Elemente Simulationen durchgeführt und die optimalen Resonatorparameter, wie Durchmesser und Höhe extrahiert. Die Mikrodisks wurden anschließend aus MBE-gewachsenen AlGaAs/GaAs Substraten entsprechend der Simulationsresultate hergestellt. In optischen Resonatoren wird das Licht aufgrund von Totalreflexionen im Inneren des Resonators geführt und nur ein geringer evaneszenter Teil der Mode ausgekoppelt. Um einen hohen Güte-Faktor (Q-Faktor) bzw. eine lange Lebensdauer von Photonen in solchen Strukturen zu erreichen, ist eine geringe Rauigkeit der Seitenwände von großer Wichtigkeit. Die optische Charakterisierung der Mikrodisks erfolgte mittels hochaufl ösender Spektroskopie bei 5 K. Die berechneten Spektren der resonanten Eigenmoden, basierend auf den Simulationsergebnissen zeigen hervorragende Übereinstimmung mit den gemessenen Spektren, aus diesen wurde der Q-Faktor, Linienbreite, Fläche und Amplitude der Moden bestimmt. In der doppelt logarithmischen Darstellung zeigen alle Messungen einen nichtlinearen Knick der Moden-Amplitude als Funktion der Pumpleistung, was einem Erkennungsmerkmal eines Lasers entspricht.

TMDCs (Transition metal dichalcogenides) are a class of layered crystalline materials with strong atomic bonds inside each layer, while the layers are only held together by weak van der Waals forces. It is therefore possible to peel of single monolayers by mechanical exfoliation, as it has first been shown for graphene. While TMDC bulk crystals are indirect semiconductors, they undergo a transition from indirect to direct semiconductor when thinned down to their monolayer limit. Due to their direct band-gap in the 2D-case, these materials have promising conditions for optoelectronic applications such as strong photoluminescence. Representative of these materials are MoS2, MoSe2 , WS2 and WSe2, where the latter is used in this work. The aim of this work is the fabrication and characterization of optical microdisk resonators with a tungsten diselenide (WSe2) monolayer as active medium. Three dimensional simulations of whispering-gallery modes and their emission characteristics in such unique structures are performed, and the optimum resonator parameters such as diameter and height are extracted. With these results, the optical microdisks resonators are fabricated from MBE (Molecular Beam Epitaxy)-grown GaAs/AlGaAs substrates. In optical resonators the light is strongly confined inside the cavity and only a small evanescent fraction of the mode is leaking out of the resonator. Thus, the quality factor (Q-factor) of such structures is determined by the lifetime of the photons inside the cavity. Since the roughness of the sidewall limits the Q-factor, the dry and wet chemical etching processes are very important for the fabrication of high-Q resonators. The optical characterization of microdisks is carried out by high resolution photoluminescence spectroscopy at low temperatures (5 K). The obtained experimental spectra are in excellent agreement with the simulation results. From the experimental spectra at 5 K the Q-factor, mode linewidth, mode area and mode amplitude are extracted. Furthermore, all measurements exhibit a nonlinear kink of the mode amplitude as a function of the incident pump power, which is one hallmark feature of a laser.