Ultrafast spectroscopy of zero and two-dimensional materials for photonic applications

This thesis deals with the optical characterization of two different types of low dimensional materials, properly designed for photonic applications. In particular, in the first part of this thesis we describe the photo-physical processes underlaying the phenomenon of double emission in colloidal semiconductor nanocrystals (0-dimensional). In the second part we study the linear and non-linear optical properties of a two-dimensional transition metal dichalcogenides (molybdenum disulphide) nanosheet endowed with a uniaxial corrugation. Dual emission in colloidal semiconductor nanocrystals have attracted much attention in recent years due to their potential applications for example in white LED, ratiometric sensors for local detection of temperature variation, ionic concentration and pH. Here we provide evidences of the conditions required for having a dual emission in heterostructured core/shell NCs. We will also provide evidence of the mechanism involved in the double emission of a metal doped colloidal nanocrystal. The second part of the thesis is instead devoted to the optical characterization of a molybdenum disulphide nanosheet deposited onto an anisotropic nanopatterned substrate. We will show that the nanopatterning dramatically affect the optical properties of the nanosheet both in the linear and transient domain.

Questa tesi riguarda la caratterizzazione delle proprietà ottiche di due differenti sistemi aventi bassa dimensionalità e ingegnerizzati per applicazioni nell'ambito della fotonica. In particolare, nella prima parte della tesi vengono descritti i processi foto-fisici alla base del fenomeno della doppia luminescenza nei nanocristalli a semiconduttore colloidali. Nella seconda parte viene invece trattata la caratterizzazione ottica lineare e transiente di un mezzo bidimensionale (layer atomici di disolfuro di molibdeno) dotato di una corrugazione uniassiale. La simultanea emissione a due differenti lunghezze d'onda in nanocristalli a semiconduttore colloidali è stata oggetto di un forte interesse negli ultimi anni grazie alle potenziali applicazioni nell'ambito di LED a luce bianca e sensori per la rilevazione di variazioni termiche, concentrazione ottica e di pH. In questa tesi vengono dimostrate le condizioni richieste per avere doppia emissione in nanocristalli eterostrutturati. Verranno anche descritti i meccanismi alla base della doppia emissione in nanocristalli a semiconduttore con al loro interno impurità metalliche. La seconda parte della tesi riguarda la caratterizzazione ottica di un mezzo bidimensionale depositato su di un substrato avente una corrugazione uniassiale. Verrà mostrato che la corrugazione influisce in modo rilevante sulle proprietà ottiche sia nel regime lineare che nel dominio temporale.