Valley Dependent Exciton Dynamics in Single Layer Transition Metal Dichalcogenides

Two-dimensional layered Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) provide new opportunities in valley-based information processing and constitute an ideal platform to study excitons and excitonic complexes. TMDs exhibit a unique combination of atomic-scale thickness, direct bandgap, strong spin-orbit coupling, and favorable mechanical and electronic properties. All these characteristics make them extremely promising for photonic and optoelectronic applications. We exploit ultrafast transient absorption spectroscopy to investigate the valley polarization properties of monolayer WSe2. We investigate the build-up and relaxation processes of spin-polarized A and B exciton dynamics using helicity-resolved pump-probe spectroscopy and Faraday rotation spectroscopy, in different experimental conditions. The extreme temporal resolution (i.e. 100 fs) allows us to gain an insight into the principal driving mechanisms of valley polarization dynamics, such as exchange intervalley interaction, intravalley spin-flip scattering, and Dexter-like coupling. Our results show a valley polarization decay time on the picoseconds timescale, strongly influenced by exciton-exciton and exciton-phonon scattering. Moreover, our data give an additional understanding of the sub-picoseconds intervalley coupling, highlighting the presence of Dexter-like coupling mechanism. Many questions about the non-equilibrium optical response of 2D materials are still open, our work gives a contribution in understanding the mechanism at the basis of inter and intravalley scattering in TMDs.

I dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDs) bidimensionali offrono nuove opportunità nell’elaborazione dell’informazione sfruttando l’indice di valle e fornendo una piattaforma ideale per lo studio dei processi di elaborazione dell’informazione. I TMDs presentano una combinazione unica di diverse proprietà, tra cui lo spessore su scala atomica, il bandgap diretto e un grande accoppiamento spin-orbita. Tutte queste queste caratteristiche li rendono estremamente promettenti per applicazioni fotoniche e optoelettroniche. In questa tesi verrà sfruttata la spettroscopia di assorbimento transitorio ultraveloce per studiare le proprietà di polarizzazione di valle del monostrato WSe2. Verranno analizzati i processi di formazione e di rilassamento di eccitoni A e B con spettroscopia pump-probe, utilizzando il dicroismo circolare e la rotazione di Faraday, in diverse condizioni sperimentali. L’estrema risoluzione temporale del setup (i.e. 100 fs) permette di comprendere i principali meccanismi alla base della dinamica di polarizzazione di valle, come l’intervalley exchange interaction, intravalley spin-flip scattering e l’accoppiamento di tipo Dexter. I nostri risultati mostrano un tempo di decadimento della polarizzazione di valle su scala temporale dei picosecondi, fortemente influenzato da scattering eccitone-eccitone e eccitone-fonone. Inoltre, i nostri dati forniscono un’ulteriore comprensione sull’accoppiamento delle valli su scala temporale dei femtosecondi, evidenziando la presenza di un meccanismo di accoppiamento di tipo Dexter. Molte domande sulla risposta ottica fuori-equilibrio di questi materiali 2D sono ancora aperte. Questo lavoro fornisce un contributo alla comprensione del meccanismo alla base dello scattering inter e intravalle nei TMDs.