Ultrafast terahertz spectroscopy of trilayer MoS2

Transition metal dichalcogenides are a family of low-dimensional materials that gained importance as they can be exploited in electronics and optics thanks to their peculiar physical properties. MoS2 received particular attention given its availability in nature as a bulk crystal and its interesting effects linked with its excitonic population and band-gap properties. In this thesis, we will exploit ultrafast THz spectroscopy to investigate low-energy vibrational modes arising from the relative motion of the layered structure of a few layer sample of MoS2 . Despite these modes have been predicted and observed via Raman spectroscopy there are yet no observations performed in the THz frequency domain. In particular both with static and pump-probe measurements we will try first to identify the presence of these phonon modes and then to investigate how they interact and couple with the free carriers due to excitation of the sample.

I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono una famiglia di materiali a bassa dimensionalità che hanno ottenuto una grande importanza grazie alle loro particolari proprietà fisiche, in particolare nei campi dell’elettronica e dell’ottica. Tra questi il MoS2 ha ricevuto particolare attenzione grazie anche alla sua presenza in natura sotto forma di minerale e alle proprietà derivanti dalla sua popolazione di eccitoni e proprietà del suo gap energetico. In questa tesi verrà utilizzata la spettroscopia THz ultraveloce per investigare i modi vibrazionali a bassa energia derivanti dal moto relativo dei layer che compongono la struttura di un campione di MoS2 a bassa dimensionalità. Malgrado questi modi siano già stati predetti e poi osservati grazie alla spettroscopia Raman, non vi sono ancora osservazioni dirette effettuate nell’intervallo spettrale del THz. In particolare, attraverso acquisizioni statiche e di pump-probe si tenterà di identificare la presenza di questi modi e successivamente si cercherà di comprendere come questi interagiscono e si accoppiano con cariche libere derivanti dall’eccitazione del campione.