Strain engineering in WSe2 monolayer for single photon emission

Single–photon sources are a key component for the development of quantum photonic technologies. Among the different solid–state platforms, strained monolayers of transi- tion metal dichalcogenides, and in particular WSe2, have emerged as promising candidates due to their strong excitonic response and compatibility with planar device architectures. This work investigates strain–induced hybridization between dark excitons and interband defect–related states as the potential key mechanism behind single-photon emission in WSe2. Within this framework, strain engineering is explored as a route to activate and control localized quantum emitters. Localizedstrainisintroducedviacontaminant–inducednanobubblesformedinWSe2/MoS2 stacks. Multilayer MoS2 substrates are employed to quench photoluminescence in un- strained regions of WSe2 through type-II band alignment. A systematic fabrication pro- tocol is developed, involving mechanical exfoliation of WSe2 monolayers onto PDMS, transfer onto multilayer MoS2 substrates, and subsequent annealing to promote nanobub- ble formation and localized strain. A central result of this work is the experimental observation that the average strain induced within WSe2 nanobubbles depends on the thickness of the MoS2 substrate. This dependence is attributed to changes in the adhe- sion forces between the WSe2 monolayer and the substrate as the number of MoS2 layers increases, which in turn modify the bubble shape and lead to variations in the induced strain. In addition, a bubble patterning approach based on laser writing of the underlying PDMS is explored, where localized heating above a threshold in laser frequency and power triggers deterministic bubble nucleation. The strain distribution within nanobubbles is characterized beyond the diffraction limit usingtip–enhancedphotoluminescence,enablingnanoscalecorrelationbetweenlocalstrain and optical response. Cryogenic confocal photoluminescence measurements are performed to investigate the conditions required for the onset of single–photon emission. The experimental observations are discussed in the context of the proposed strain–driven hybridization mechanism. Finally, perspectives toward deterministic strain engineering and scalable integration of WSe2–based single–photon emitters in photonic devices are outlined.

Le sorgenti a singolo fotone rappresentano un elemento fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie fotoniche quantistiche. Tra le diverse piattaforme allo stato solido, i monostrati sottoposti a strain di dicalcogenuri dei metalli di transizione, e in particolare il WSe2, sono emersi come candidati promettenti grazie alla loro forte risposta eccitonica e alla compat- ibilità con architetture di dispositivi planari. In questo lavoro, l’emissione a singolo fotone in monostrati di WSe2 viene studiata ipotizzando che essa abbia origine da un’ibridazione indotta dallo strain tra eccitoni scuri e stati localizzati associati a difetti. In tale contesto, l’ingegneria dello strain viene esplorata come strategia per attivare e controllare emettitori quantistici localizzati. Lo strain localizzato viene introdotto tramite nanobolle indotte da contaminanti, formate in eterostrutture WSe2/MoS2. Substrati di MoS2 multistrato vengono utilizzati per sop- primere la fotoluminescenza nelle regioni non deformate del WSe2 attraverso un allinea- mento di banda di tipo II. Viene sviluppato un protocollo di fabbricazione sistematico che comprende l’esfoliazione meccanica di monostrati di WSe2 su PDMS, il trasferimento su substrati di MoS2 multistrato e una successiva fase di annealing per favorire la for- mazione delle nanobolle e dello strain localizzato. Un risultato centrale di questo lavoro è l’osservazione sperimentale che lo strain medio indotto all’interno delle nanobolle di WSe2 dipende dallo spessore del substrato di MoS2. Tale dipendenza è attribuita a variazioni delle forze di adesione tra il monostrato di WSe2 e il substrato all’aumentare del numero di strati di MoS2, che modificano la forma delle bolle e determinano differenti livelli di strain indotto. Inoltre, viene esplorato un approccio di patterning delle bolle basato sulla scrittura laser del PDMS sottostante, in cui un riscaldamento localizzato al di sopra di una soglia di frequenza e potenza del laser innesca la nucleazione deterministica delle bolle. La distribuzione di strain all’interno delle nanobolle viene caratterizzata oltre il limite di diffrazione mediante fotoluminescenza potenziata da punta, consentendo una corre- lazionesuscalananometricatrastrain localeerispostaottica. Misuredifotoluminescenza a temperature criogeniche vengono infine eseguite per indagare le condizioni necessarie all’insorgenza dell’emissione a singolo fotone. I risultati sperimentali vengono discussi alla luce del meccanismo di ibridazione indotto dallo strain proposto. In conclusione, vengono delineate le prospettive per un’ingegneria dello strain deterministica e per l’integrazione scalabile di emettitori a singolo fotone basati su WSe2 in dispositivi fotonici.