Strain modulated second harmonic generation in transition metal dichalcogenides

Abstract

In den letzten Jahren zogen Übergangsmetall-Dichalkogenide (engl. transition metal dichalcogenides, TMDs) viel Aufmerksamkeit auf sich, da sie eine Vielzahl von einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften aufweisen. Eine große Zahl an elektrischen und optischen Bauelementen wurde bereits aus TMDs gefertigt. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass sich die Dehnung atomar dünner TMDs erheblich auf deren physikalischen Eigenschaften auswirkt. Zum Beispiel verändert Dehnung die Bandlücke, die in Anwendungen wie Transistoren, Solarzellen und Quantenemitter eine ausschlaggebende Eigenschaft darstellt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen halbleitenden Materialien, sind TMDs deutlich flexibler und dadurch ergeben sich weitaus größere maximale Dehnungswerte. In dieser Arbeit wird eine Methode beschrieben, mit der lokale Dehnungsmatrizen in zweidimensionalen TMDs optisch gemessen werden können. Diese Methode basiert auf dem nichtlinearen optischen Effekt der Frequenzverdoppelung (SHG). Es zeigt sich, dass die Frequenzverdoppelung in TMDs durch Dehnung moduliert wird. Für diesen Effekt haben wir ein präzises physikalisches Modell entwickelt, welches dazu dient, aus polarisationsaufgelösten SHG-Messungen die komplette Dehnungsmatrix zu extrahieren. Im Zuge dieser Arbeit haben wir den Photoelastischen Tensor für MoS2 bestimmt. Diesen messen wir über eine polarisationsaufgelösten SHG Messaufbau bei dem wir die TMD-Einzellagen einachsig verspannen können. Mithilfe dieses Tensors konnten wir die durch mechanische Exfoliation induzierte einachsige Dehnung in MoS2-Einzellagen bestimmen und für verschiedene Exfoliationsmethoden vergleichen.

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) have a large amount of unique optical and electrical properties. These materials have attracted a lot of attention in recent years and many devices have already been realized. Strain has a considerable impact on the physical properties of atomically thin TMDs. For example, it changes the band gap, which is a key property for many applications like transistors, solar cells and quantum emitters. Since TMDs are far more flexible than conventional semiconducting materials, the applicable maximal strain values can reach very high numbers. In this work, we demonstrate a method that allows to optically measure the local strain matrix in two-dimensional TMDs. This method is based on the nonlinear optical effect of second harmonic generation (SHG). We show that SHG in TMDs is modulated by strain and we present an accurate physical model that reproduces this effect. Based on this model, we are able to extract the full strain matrix from polarization resolved SHG measurements. For this purpose, we determined the photoelastic tensor of MoS2. This was done by building a polarization resolved SHG setup and a two-point bending technique that allows to uniaxially strain atomically thin TMD flakes. Once the photoelastic tensor was identified, we could show that local strain can be measured by means of SHG. In addition, we demonstrated that micromechanical exfoliation leads to uniaxially strained MoS2 flakes, and that the magnitude of strain depends on the used exfoliation method.