Two-dimensional electro-optic device integrated on plasmonic gold nanostructures

In the furious quest for the infinitely small, the shrinking capability of silicon is reaching its natural limit. Eager to find new solutions to continue the technological progress, two-dimensional materials are candidates for the creation of new ultra-thin devices. These are obtained isolating atomic sheets from bulk crystals, opening to unique physical properties. Graphene, a layer of carbon atoms, was the first discovered but not proper for modern electronics. Transition metal dichalcogenides instead, are 2D semiconductors with a bandgap comparable to silicon and good mobility. The possibility of transferring these thin materials on different substrates draw interest in the research community. In this thesis work, a 2D heterostructure was coupled with plasmonic gold gratings to create an optoelectronic device. Plasmonics is a part of nanophotonics and studies how electromagnetic fields can be confined over sub-wavelength dimensions. This, combined with the low dielectric screening of a monolayer semiconductor, can reveal interesting features. Gold structures with nanometric resolution has been fabricated and tungsten diselenide monolayer flake transferred on them, with hexagonal boron nitrite as dielectric. The device built shows photoluminescence enhancement, due to the plasmonic resonance in the metal film and bright electroluminescence, promising for future applications in photodiodes, photodetectors and sensors.

Nella frenetica ricerca dell'infinitamente piccolo, la miniaturizzazione del silicio sta raggiungendo il suo limite naturale. Desideriosi di trovare nuove soluzioni e continuare il progresso tecnologico, i materiali bidimensionali sono candidati per la creazione di nuovi dispositivi ultra-sottili. Questi si ottengono isolando fogli di dimensioni atomiche da cristalli sfusi, aprendo a proprietà fisiche uniche. Il grafene, uno strato di atomi di carbonio, è stato il primo ad essere scoperto ma non è adatto all'elettronica moderna. I dicalcogenuri dei metalli di transizione, invece, sono semiconduttori bidimensionali con un gap di banda paragonabile al silicio e buona mobilità. La possibilità di trasferire questi materiali sottili su diversi substrati ha suscitato interesse nella comunità scientifica. In questo lavoro di tesi, una eterostruttura bidimensionale è stata accoppiata con reticoli plasmonici in oro per creare un dispositivo optoelettronico. La plasmonica è una parte della nanofotonica e studia come i campi elettromagnetici possono essere confinati su dimensioni inferiori la lunghezza d'onda. Ciò, combinato con il basso schermaggio dielettrico di un semiconduttore monostrato, può rivelare caratteristiche interessanti. Sono state fabbricate strutture d'oro con risoluzione nanometrica e trasferito un monostrato di diseleniuro di tungsteno su di esse, con nitruro di boro esagonale come dielettrico. Il dispositivo costruito mostra un accrescimento della fotoluminescenza, dovuto alla risonanza plasmonica nel film metallico e una forte elettroluminescenza, promettente per future applicazioni in fotodiodi, fotodetettori e sensori.