Ultrafast optical spectroscopy of inorganic semiconductors

This PhD thesis investigates the ultrafast optical properties and the carrier/exciton dynamics of inorganic semiconductors using transient optical spectroscopy. The research focuses on three main materials: lead-free double halide perovskites, GaAs and GaN semiconductors, and nanorippled MoS2, aiming to get more insight on the mechanisms governing the excitonic and the carrier relaxation dynamics upon photoexcitation. Chapter 2 explores the principles and techniques of nonlinear and ultrafast optical spectroscopy, focusing on the generation and the application of ultrashort pulses. It covers key processes such as second-harmonic generation (SHG), optical parametric amplification (OPA), and transient absorption spectroscopy which are fundamental for studying rapid dynamics in materials. Chapter 3 delves into the formation of self-trapped excitons in lead-free double halide perovskites. Using high time-resolution transient absorption spectroscopy, the study observes the formation of the excitons within approximately 250 fs after carrier thermalization, providing crucial insights into exciton dynamics at cryogenic temperatures. In addition, we observe phonon modes which are impulsively excited by the ultrafast pump pulses. Chapter 4 examines the ultrafast relaxation dynamics of photoexcited carriers in GaAs and GaN semiconductors. Through transient reflectance (TR) and transient absorption (TA) spectroscopy, the research reveals how excitation energy influences carrier dynamics, highlighting significant differences in build-up times and relaxation behaviors under varying conditions. Chapter 5 investigates the exciton dynamics in nanorippled MoS2 (i.e. MoS2 bulk film on a substrate characterized by nanoscale periodic ripple pattern). Ultrafast transient absorption spectroscopy demonstrates that the nanorippled structure induces Rayleigh anomalies (RAs), significantly enhancing the pump-probe signal of the excitons. The structured substrate’s role in increasing the transient absorption signal of the excitons is particularly evident when pumped at 710 nm (i.e. on resonance with the RA). The findings across these studies underscore the critical role of ultrafast optical spectroscopy in understanding the fundamental processes in inorganic semiconductors. By elucidating the dynamics of excitons and carriers, this research paves the way for advancements in optoelectronic devices and photonic applications. In conclusion, this thesis provides a comprehensive investigation of ultrafast processes in key semiconductor materials, offering valuable insights into their electronic, optical, and excitonic properties.

Questa tesi di dottorato indaga le proprietà ottiche ultraveloci e le dinamiche di portatori di carica/eccitoni nei semiconduttori inorganici utilizzando la spettroscopia ottica risolta nel tempo. La ricerca si concentra su tre principali materiali: perovskiti alogenuri doppi prive di piombo, semiconduttori GaAs e GaN, e MoS₂ con nanoincrespature, con l’obiettivo di approfondire i meccanismi che regolano le dinamiche di rilassamento degli eccitoni e dei portatori dopo la fotoeccitazione. Il Capitolo 2 esplora i principi e le tecniche della spettroscopia ottica non lineare ed ultraveloce, con particolare attenzione alla generazione e all’applicazione di impulsi ultrabrevi. Copre processi chiave come la generazione della seconda armonica (SHG), l’amplificazione ottica parametrica (OPA) e la spettroscopia di assorbimento transiente, fondamentali per lo studio delle dinamiche rapide nei materiali. Il Capitolo 3 si concentra sulla formazione di eccitoni auto-intrappolati in perovskiti alogenuri doppi prive di piombo. Utilizzando la spettroscopia di assorbimento transitorio ad alta risoluzione temporale, lo studio osserva la formazione degli eccitoni entro circa 250 fs dopo la termalizzazione dei portatori, fornendo preziose informazioni sulle dinamiche degli eccitoni a temperature criogeniche. Inoltre, vengono osservati modi fononici eccitati impulsivamente dagli impulsi di pompa ultraveloce. Il Capitolo 4 esamina le dinamiche di rilassamento ultraveloce dei portatori fotoeccitati nei semiconduttori GaAs e GaN. Attraverso la spettroscopia di riflettanza transiente (TR) e di assorbimento tranisente (TA), la ricerca rivela come l'energia di eccitazione influenzi le dinamiche dei portatori, evidenziando differenze significative nei tempi di formazione e nei comportamenti di rilassamento in condizioni variabili. Il Capitolo 5 indaga le dinamiche degli eccitoni nel MoS₂ con nanoincrespature (ossia un film bulk di MoS₂ su un substrato caratterizzato da un pattern periodico di centinaia di nanometri). La spettroscopia di assorbimento transiente ultraveloce dimostra che la struttura nanoincrespata induce anomalie di Rayleigh (RA), migliorando significativamente il segnale di pump/probe degli eccitoni. Il ruolo del substrato strutturato nell’aumentare il segnale di assorbimento transitorio degli eccitoni è particolarmente evidente quando viene pompato a 710 nm (ossia in risonanza con la RA). I risultati di questi studi sottolineano il ruolo cruciale della spettroscopia ottica ultraveloce nella comprensione dei processi fondamentali nei semiconduttori inorganici. Elucidando le dinamiche di eccitoni e portatori di carica, questa ricerca apre la strada a progressi nei dispositivi optoelettronici e nelle applicazioni fotoniche. In conclusione, questa tesi fornisce un’indagine completa sui processi ultraveloci in materiali semiconduttori, offrendo preziose intuizioni sulle loro proprietà elettroniche, ottiche ed eccitoniche.