Ultrafast processes in doped semiconductor

This thesis explores the optical properties of Indium Tin Oxide (ITO), by means of time-resolved spectroscopic techniques. ITO is a heavily doped semiconductor nanocrystal that exhibits a plasmonic resonance in the infrared. This resonance is shifted in the infrared because the carrier concentration is much lower with respect to the metal. This makes ITO appealing for infrared plasmonic. Another important property of ITO is the non-parabolicity of the conduction band. This makes the effective mass of the electrons change in the band. The first experiment we discuss is a grating made by ITO. The grating is done by means of micromachining technique, where, from a thin layer ITO we removed some material to leave just some stripes of ITO. With these experiments, we show all-optical modulation in the visible induced by the pump pulse in the infrared. The modulation region can be adjusted by varying the grating pitch. The relaxation time of ITO is faster than 1 ps making the modulation appealing for communication. Moreover, we show how the micromachining affected the relaxation dynamics when the electron was excited from the valence band. Pulsed laser sources employed to pump and probe samples feature typically high peak power, which may give rise to coherent artifacts under a wide range of experimental conditions. Among those, the Cross-Phase Modulation (XPM) artifact has gathered particular attention as it produces particularly high signal distortions, in some cases hiding a relevant portion of the dynamics of interest. In the thesis, we showed two different approaches to solve this issue and reconstruct the decay dynamics. The first one is based on the Particle Swarm Optimization algorithm to fit the XPM and the recombination dynamics. This generates an unwonted bias in deciding the mathematical shape of the decay. The second approach we showed is based on Deep Learning. We developed XPMnet, a convolutional neural network able to reconstruct electronic relaxation dynamics otherwise embedded in artifact distortions, thus enabling the retrieval of fundamental information to characterize the material system under investigation. XPMnet retrieved ITO electronic dynamics in excellent agreement with expected outcomes in terms of material-specific time constants. This artificial intelligence method constitutes a powerful solution for XPM artifact removal providing high accuracy and short execution time. The last experiment we covered in the thesis is the Hot-electron transfer. When the hot electrons are generated after the plasmon decay, we may transfer them to a coupled material. In this case we developed a heterostructure made of ITO titania ITO. The titania act as an electron acceptor, it was chosen as a semiconductor because the conduction band of Titania aligns very well with the Fermi level of ITO. We used ultrafast pump-probe to see the transfer, the broadband probe pulse was centered to the plasmon absorption in the infrared. We saw a redshift of the plasmon that can be assigned to the hot electron transfer from ITO to Titania.

Questa tesi esplora le proprietà ottiche dell'ossido di indio e stagno indio (ITO), mediante tecniche spettroscopiche risolte in tempo. L'ITO è un nanocristallo semiconduttore fortemente drogato che mostra una risonanza plasmonica nell'infrarosso. Questa risonanza viene spostata nell'infrarosso perché la concentrazione di cariche è molto inferiore rispetto a quella dei metalli. Un'altra importante proprietà di ITO è la non parabolicità della banda di conduzione. Questo fa cambiare la massa effettiva degli elettroni nella banda. Il primo esperimento di cui discutiamo è un reticolo realizzato da ITO. Il reticolo viene eseguito mediante tecnica di microlavorazione laser, dove, da un sottile strato di ITO abbiamo asportato del materiale per lasciare solo alcune strisce di ITO. Con questi esperimenti, mostriamo la modulazione ottica nel visibile indotta dall'impulso della pompa nell'infrarosso. La regione di modulazione può essere regolata variando il passo del reticolo. Il tempo di rilassamento dell'ITO è più veloce di 1 ps, questo rende la frequenza di ripetizione possibile nell'ordine del THz. Inoltre, mostriamo come la microlavorazione ha influenzato le dinamiche di rilassamento quando gli elettroni vengono eccitati dalla banda di valenza. Le sorgenti laser a impulsi utilizzate per fare pump-probe presentano una potenza di picco tipicamente elevata, che può dare origine a artefatti coerenti in un'ampia gamma di condizioni sperimentali. Tra questi, l'artefatto Cross-Phase Modulation (XPM) ha raccolto particolare attenzione in quanto produce distorsioni di segnale particolarmente elevate, nascondendo in alcuni casi una parte rilevante delle dinamiche di interesse. Nella tesi, abbiamo mostrato due diversi approcci per risolvere questo problema e ricostruire le dinamiche di decadimento. Il primo si basa sull'algoritmo di ottimizzazione dello sciame di particelle (PSO) per adattarsi all'XPM e alle dinamiche di ricombinazione. Questo genera un bias nel decidere la forma matematica del decadimento. Il secondo approccio che abbiamo mostrato è basato sul Deep Learning. Abbiamo sviluppato XPMnet, una rete neurale convoluzionale in grado di ricostruire dinamiche elettroniche di rilassamento altrimenti incorporate nelle distorsioni degli artefatti, consentendo così il recupero di informazioni fondamentali per caratterizzare il sistema in esame. Abbiamo convalidato XPMnet sull' ITO. XPMnet ha recuperato le dinamiche elettroniche di ITO in ottimo accordo con i risultati attesi in termini di costanti di tempo specifiche del materiale. Questo metodo di intelligenza artificiale costituisce una potente soluzione per la rimozione degli artefatti XPM fornendo elevata precisione e tempi di esecuzione brevi. L'ultimo esperimento che abbiamo trattato nella tesi è il trasferimento di elettroni caldi. Quando gli elettroni caldi vengono generati dopo il decadimento del plasmone, possiamo trasferirli a un materiale accoppiato. In questo caso abbiamo sviluppato un'eterostruttura composta da ITO titania ITO. La titania funge da accettore di elettroni, è stata scelta come semiconduttore perché la banda di conduzione della Titania si allinea molto bene con il livello di Fermi di ITO. Tramite il pump-probe andiamo a vedere la risposta del sistema. L'impulso del probe a banda larga è stato centrato sull'assorbimento plasmonico nell'infrarosso. Abbiamo visto uno spostamento verso il rosso del plasmone che può essere assegnato al trasferimento di elettroni caldi da ITO a Titania.