Interfacial charge transfer in composite semiconductor nanostructures studied by two-dimensional electronic spectroscopy

Two-dimensional electronic spectroscopy (2DES) is based on the interaction between matter and three different laser pulses. This interaction generates a third order non linear macroscopic polarization emitting a signal field which contains all the informations about the system under study. It is part of the four-wave mixing spectroscopy techniques (FWM) since it involves four fields (the three laser pulses and the radiated field that is measured). 2DES is a powerful technique preserving high temporal and spectral resolution allowing to study ultrafast processes that occur in complex systems. Among the possible configurations of this technique, in the laboratory of Physics Department in Politecnico di Milano the partially collinear pump probe geometry is used to perform 2DES experiments. This kind of configuration needs the generation of collinear phase-locked pulses. This requirement is realized using a device developed in Politecnico di Milano which is called Translating-Wedge-based-Identical-pulses-eNcoding-System (TWINS). The device has a simple and compact implementation and consists of 4 wedges of the birefringent material α-BBO and an additional α-BBO plate. The birefringence is the key of the performance of the system. The laser pulses used in the 2D experiments come from non collinear parametric amplifiers (NOPAs) whose aim is to amplify the input pulse obtaining a broadband output pulse with a pulse duration of few femtoseconds (sub-10 fs). In this thesis 2DES measurements performed on quantum dots (QDs) systems of CdSe and nanocrystals of CdSe/CdS (CdSe core and CdS shell) which are systems with potential applications in solar cells, biological sen- sors, quantum information and LEDs are discussed.

La spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES) é basata sull’interazione tra la materia e tre differenti impulsi laser. Questa interazione genera una polarizzazione macroscopica non lineare del terzo ordine che emette un segnale il quale contiene tutte le informazioni riguardanti il sistema che si vuole studiare. Tale tecnica appartiene alla categoria delle tecniche spettroscopiche cosiddette four-wave mixing (FWM) in quanto sono coinvolti 4 campi (i tre impulsi laser e il campo emesso che viene misurato). La 2DES é una tecnica molto potente che permette di avere un’elevata risoluzione temporale e spettrale fornendo la possibilità di studiare processi ultraveloci che avvengono in sistemi complessi. Tra le possibili configurazioni di questa tecnica, nel laboratorio del Dipartimento di Fisica al Politecnico di Milano viene usata la geometria cosiddetta partially collinear pump probe per poter effettuare esperimenti di 2DES. Questo tipo di configurazione richiede la generazione di impulsi collineari agganciati in fase. Tale requisito viene soddisfatto utilizzando un dispositivo sviluppato al Politecnico di Milano che é chiamato TWINS (Translating-Wedge-based-Identical-pulses-eNcoding-System). Tale dispositivo é caratterizzato da un’implementazione semplice e compatta ed é costituito da 4 cunei e una lamina aggiuntiva di un materiale birifrangente chiamato α-BBO. Il fenomeno di birifrangenza é alla base del funzionamento del dispositivo. Gli impulsi laser utilizzati negli esperimenti di 2DES sono generati da amplificatori ottici parametrici non collineari (NOPA) la cui funzione é di amplificare l’impulso di ingresso ottenendo in uscita un impulso a larga banda e con una durata temporale di pochi femtosecondi (meno di 10 fs). In questa tesi sono stati effettuati misure di 2DES su sistemi quantum dot (QD) di CdSe e su nanocristalli di CdSe/CdS in cui CdSe rappresenta il core mentre CdS la shell. All’interno della tesi verranno presentati i risultati di queste misure. Tali sistemi hanno delle potenziali applicazioni nel campo delle celle solari, dei sensori biologici, dell’informazione quantistica e dei LED.