Probing excitons in two-dimensional semiconductors by light emission and detection

Abstract

Zweidimensionale (2D) Ubergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) eignen sich hervorragend zur Untersuchung neuer physikalischer Phänomene da sie aufgrund ihrer geringen Dicke spezielle Eigenschaften besitzen. Eine einzelne atomare Schicht dieser Materialien weist einen direkten Bandübergang auf, weshalb sie, begünstigt durch ihre zusätzlich starke Licht-Materie Wechselwirkung, Verwendung in der Optoelektronik und Vallytronik finden. Darüber hinaus führen der 2D-Charakter der Monoschicht und die damit verbundene schwache dielektrische Abschirmung zu starken Coloumb- Anziehungskräften zwischen Elektron-Loch-Paaren, was die Bildung von Exzitonen begünstigt. Die Exzitonen sind auch bei Raumtemperatur stabil und dominieren hier die optischen Eigenschaften der TMD-Monolagen.Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Untersuchung optischer Eigenschaften atomar dünner Schichten sowie daraus hergestellter Heterostrukturen. Im Rahmen der durchgeführten Forschungsarbeiten konnte dabei Lichtemission von Exziton-Komplexen und lokalisierten Exzitonen nachgewiesen werden. Letztere können auch zur Detektion von Licht verwendet werden. Zunächst wird Lichtemission von hellen und dunklen Exzito- nen (engl. dark and bright excitons), negativ geladenen Trionen und Biexzitonen in den Monoschichten Wolframdiselenid (WSe2) und Wolframdisulfid (WS2) gezeigt, welche in hexagonalem Bornitrid (hBN) eingepackt sind. Der neutrale Biexziton-Zustand existiert nur in einem ladungsneutralen Bereich, während das geladene Biexzitonen im leicht elektronendotierten Bereich auftritt. Damit wird eine spektrale Linienbreite in der Elektrolumineszenz (EL) geladener Biexzitonen und dunkler Exzitonen von 2.8 meV erreicht.In Wolfram-basierten 2D Materialien fu ̈hren lokale mechanische Spannungen in Kombination mit Materialfehlern dazu, dass sich lokalisierte Exzitonen bilden. Im Zuge dieser Arbeit werden diese in einer Monoschicht WSe2 mit Quantenlicht unter Verwendung verschiedener Herstellungstechniken erforscht. Die Messergebnisse bei tiefen Temperaturen zeigen, dass an bestimmten Stellen oder unter mechanischer Spannung stehenden Regionen der Monoschicht räumlich lokalisierte Photolumineszenz (PL) mit einer spektralen Linienbreite von ~600 μeV auftritt. Diese ist damit nahezu zwei Größenordnungen kleiner als jene von delokalisierten Exzitonen. Daru ̈ber hinaus wird ein starkes Photon-Antibunching bei Photonenkorrelationsmessungen (g2(0) ~ 0.02) beobachtet, was die Quantennatur der Emission demonstriert. Zur Beschreibung der experimentellen Daten wird zus ̈atzlich ein mikroskopisches Modell präsentiert, welches die notwendigen Voraussetzungen für die Entstehung von Quantenemittern beschreibt. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Verständnis der Licht-Materie Wechselwirkungen in lokalisierten Zust ̈anden erweitert, indem ein Zusammenhang zwischen optischer Anregung und elektrischem Strom auf atomarer Ebene gezeigt wird. Eine Photodiodenstruktur mit eingebettetem Quantenemitter bietet die Möglichkeit neben den optischen auch die elektrischen Eigenschaften dieser Zwei-Niveau Systeme zu untersuchen. Da der spektrale Photostrom eines Quantenemitters eine exponentielle Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld aufweist, deutet dies auf einen Tunnel-basierten Dissoziationsmechanismus hin.

Two-dimensional (2D) semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) are an emerging class of materials with properties that make them highly attractive for fundamental studies of novel physical phenomena. The two-dimensional confinement of charge carriers, and the associated weak dielectric screening, result in an uniquely strong Coulomb interaction between photoexcited electrons and holes that form together tightly bound excitons, which dominate the optical properties of these materials. In addition, 2D TMDs possess a direct bandgap in the monolayer limit and valley degeneracy, making these materials potential candidates for a wide spectrum of optoelectronic and valleytronic applications that range from light emitters to photodetectors.This dissertation focuses on the spectroscopic investigation of light emission and pho tocurrent generation from excitonic states in tungsten diselenide (WSe2) and tungsten disulfide (WS2). Enabled by the encapsulation of the TMDs in hexagonal boron nitride (hBN), we demonstrate photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) from multiparticle exciton complexes including three-, four- and five-particle excitonic states (trions, neutral and charged biexcitons). The neutral biexciton-state only exists in a charge-neutral regime, whereas the charged biexciton emerges in the lightly electron-doped regime, which is realized through the control of electrostatic doping. Additionally, we find the EL from charged biexcitons and dark excitons to be as narrow as 2.8 meV.The encapsulation with hBN provides high-quality samples with well-resolve emission spectra. However, 2D materials often suffer from fabrication or growth-induced mechanical strain that affects the optical properties of the monolayers and might have a significant impact on their properties. Therefore, we also investigate the influence of mechanical strain, applied by different methods such as bending over nanostructures or atomic force microscopy (AFM)-indentation, in the emission and photoresponse of TMDs. Supported by a microscopic model, we argue that strain variations result in the lowering of excitonic energies, forming localized states that favor the funneling of photoexcited charge carriers. We show by second-order correlation measurements at low temperature that these localized emitters, occurring only in highly-strained regions of the semiconductor, lead to anti-bunched single-photon emission (g2(0) ~ 0.02). The spectrally resolved PL measurements from localized states exhibit very narrow emis- sion peaks of ~600 μeV, which is almost two orders of magnitude smaller than that of the delocalized excitons.Finally, we demonstrate that mechanical strain also influences the absorption by prob- ing the spectral photocurrent from localized states embedded in a WSe2 p-n junction. Spatially resolved photocurrent maps reveal enhanced photocurrent in strained regions where single-photon emission is observed, with a close match between emission and photocurrent spectra. An analysis of the photocurrent intensity as a function of the applied lateral electric field shows an exponential relation, suggesting a tunneling-mediated exciton dissociation mechanism.