Ultrafast carrier relaxation dynamics in two-dimensional semiconductors

The discovery of graphene and its astonishing physical properties led to the discovery of a new class of 2D materials called Transition Metal Dichalcogenides (TMDs). These materials retain their stability in the form of monolayers. Atoms within each layer are covalently bonded, and atomic layers are held together by weak van der Waals (vdW) forces. Their remarkable properties arise from the reduced dimensionality and its effect on the material band structure. One of the most interesting properties of TMDs is their indirect to direct bandgap transition, occurring when the system undergoes a transition from bulk to single layer. Differently from graphene, which is a gapless semimetal, single layer TMDs are direct bandgap semiconductor. Due to their peculiar band structure are extremely promising for photonic and optoelectronic applications. We exploit ultrafast transient absorption spectroscopy, coupled with a home-built microscope, to investigate properties of two different bidimensional semiconductors: ML-MoSe2 and ML-WS2. Degenerate and broadband pump-probe spectroscopies are exploited to measure characteristic time-scales of photoexcited carrier relaxation dynamics, with 100 fs temporal resolution and about 10 m spatial resolution. Moreover, this work is combined with the study on ML-MoSe2 of Prof. F. Wang’s research group (Nanjing University, China), and confirms that ML-MoSe2 flakes exhibit strong optical saturable absorption in the visible-near IR range. Disentangling contributions of different photoexcited species gives an explanation about the physical processes governing the photophysics of such low dimensional systems. Many questions about the physics of 2D materials are still open, therefore a lot of research is being invested in this field. Understanding physical mechanisms at the heart of ML-TMDs non-equilibrium optical response is an important step towards a possible use of these new materials in technological applications.

La scoperta del grafene e delle sue straordinarie proprietà ha condotto alla scoperta di una nuova classe di materiali bidimensionali, noti come Dicalcogenuri di Metalli di Transizione (TMD). Questi materiali esistono in una forma stabile di singolo layer atomico, o monolayer (ML). Nei TMD, gli atomi di ciascun layer sono covalentemente legati, mentre i livelli atomici sono tenuti insieme da deboli forze di van der Waals (vdW). L’origine delle loro notevoli proprietà risiede nella bassa dimensionalità e nel’effetto che essa ha sulla struttura a bande del materiale. Una tra le proprietà più interessanti dei TMD è la loro transizione da gap indiretta a gap diretta, che avviene quando il sistema è sottoposto ad una transizione da una fase di volume tridimensionale ad una di singolo layer bidimensionale. A differenza del grafene, che è un semimetallo privo di gap, i ML-TMD sono semiconduttori a gap diretta. Grazie alla loro peculiare struttura a bande sono estremamente promettenti per applicazioni nella fotonica e nell’optoelettronica. Noi sfruttiamo la spettroscopia ultraveloce di assorbimento transiente, accoppiata con un microscopio costruito "in casa", per investigare le proprietà optoelettroniche di due diversi semiconduttori bisimensionali: ML-MoSe2 e ML-WS2. La spettroscopia di pump-probe degenere e a larga banda ci consente di mappare le scale di tempo caratteristiche delle dinamiche di rilassamento delle cariche fotoeccitate, con una risoluzione spettrale di circa 100 fs. In più, questo lavoro, unito allo studio su ML-MoSe2 del gruppo di ricerca del Prof. F. Wang (Università di Nanjing, China), conferma che questo semiconduttore mostra una forte saturazione nell’assorbimento delle lunghezze spettrali nel visibile-vicino IR. Disaccoppiare i diversi contributi delle specie fotoeccitate da una spiegazione delle interazioni che governano la fotofisica di questi materiali a bassa dimensionalità. Tante domande sulla fisica dei materiali 2D sono ancora aperte, per questo tantissima ricerca ad oggi viene investita in questo campo. Comprendere i meccanismi fisici alla base della risposta fuori-equilibrio dei ML-TMDs è un passo fondamentale verso un possibile impiego di questi nuovi materiali in applicazioni tecnologiche.