Spectroscopic characterization of excitons in 2D van der Waals heterostructures

Since the discovery of graphene in 2004 the interest for 2D materials has experienced an extremely fast growth. The investigation of thin materials brought the realization of monolayer transition metal dichalcogenides: direct band semiconductors with remarkable optoelectronic properties. All these materials exist in the shape of 2D nanosheets due to the nature of their atomic structure: strong in-plane covalent bonding and weak out-of-plane van der Waals forces make feasible the isolation and stacking of sheets of different materials forming the so-called van der Waals heterostructures. This report contains the results of a research project developed in the Quantum Photonics Laboratory of Heriot Watt university (UK) and focuses on the experimental characterisation of excitons in WSe2 and MoSe2 monolayers and related heterostructures by optical spectroscopy techniques at both room and cryogenic temperatures. In particular, two different optical spectroscopy techniques have been used: ellipsometric imaging characterisation at room temperature in an inert environment, and broadband confocal differential reflectivity at cryogenic temperatures. The experimental results, as well as the advantages of each one of these techniques, are discussed in this report. Both ellipsometric imaging and broadband differential reflectivity allow us to observe the manifestation of strong excitonic transitions in these 2D systems, although only differential reflectivity measurements at cryogenic temperatures give access to higher exciton excited states due to the reduction of the phononic contributions. This report starts with an introduction to the electronic band structure and optical properties of atomically thin TMDs. Particular attention has been given to the unique properties exhibited by the 2D materials such as the formation of strongly bounded excitons mainly due to the weak and highly non-local dielectric function of atomically thin crystals. In the second chapter, the experimental techniques employed in our investigation have been presented along with the mathematical formalism commonly used to describe the optical properties of layered structures. The experimental results and the discussion can be found in chapter 3. Different samples of monolayer TMDs have been measured. Our results show that both the energy and the linewidth of the excitonic transitions in these 2D materials are strongly dependent on the local dielectric environment of the 2D excitons. Moreover, the effects of a strong out of plane magnetic field on the sample have been investigated using superconducting magnets embedded in the cryostat and a setup for circularly polarized light. These results open the door to a number of possible applications to engineer the optical properties of 2D van der Waals semiconductors. At last, the appendix contains a brief description of the codes used for data analysis and numerical fitting.

Sin dalla scoperta del grafene, nel 2004, l’interesse per i materiali bidimensionali ha mostrato un’incredibile crescita. L’investigazione di materiali atomicamente sottili portò alla realizzazione di singoli strati atomici di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), semiconduttori a band gap diretta con notevoli proprietà optoelettroniche. Tutti questi materiali esistono nella forma di fogli 2D a causa della loro struttura atomica: forti legami covalenti nel piano e deboli forze di van der Waals tra piani paralleli, infatti, rendono possibile la separazione e la stratificazione di fogli di materiali differenti dando forma alle cosiddette etero strutture di van der Waals. Questo elaborato contiene i risultati del progetto di ricerca svolto ai Quantum Photonics Laboratories della Heriot Watt University nel Regno Unito, incentrato sulla caratterizzazione sperimentale degli eccitoni nei materiali bidimensionali WSe_2 e MoSe2 e relative etero strutture, usando tecniche spettroscopiche sia a temperatura ambiente, che a pochi Kelvin. In particolare, due tecniche spettroscopiche sono state usate: ellissometria a temperatura ambiente in una atmosfera inerte, e spettroscopia di luce bianca confocale a temperature criogeniche. I risultati sperimentali, così come i vantaggi di ognuna di queste tecniche, sono presentati in questo scritto. Sia l'ellissometria che la spettroscopia di luce bianca ci permettono di osservare la manifestazione di marcate transizioni eccitoniche in questi sistemi bidimensionali; tuttavia solo la spettroscopia di luce bianca ci ha dato accesso agli stati eccitati degli eccitoni a causa della riduzione del contributo energetico dei fononi. Introdotta la struttura elettronica e le proprietà ottiche dei TMD atomicamente sottili, nel primo capitolo si pone particolare attenzione alle proprietà uniche proprie dei materiali bidimensionali come la formazione di eccitoni fortemente legati, principalmente dovuta al debole schermo dielettrico di materiali atomicamente sottili. Nel secondo capitolo, vengono presentate le tecniche sperimentali utilizzate assieme al formalismo matematico usato per descrivere la propagazione della luce in una struttura stratificata. I risultati sperimentali e la discussione di questi sono l'argomento del capitolo 3. Differenti campioni di singoli strati di TMD sono stati sottoposti a misurazioni, mostrando che sia la energia che la larghezza di riga delle transizioni eccitoniche in questi materiali bidimensionali dipendono fortemente dalla composizione dielettrica dei materiali circostanti. Infine, è stato investigato l’effetto di un forte campo magnetico esterno, applicato perpendicolarmente al campione, usando dei magneti superconduttori incorporati nel criostato e un setup per luce polarizzata circolarmente. Questi risultati aprono le porte ad innumerevoli possibili applicazioni per l’ingegnerizzazione delle proprietà ottiche dei materiali bidimensionali. Da ultimo, l’appendice contiene una breve descrizione dei codici di programmazione usati per l’analisi dei dati e il calcolo numerico.