Photophysics of interlayer excitons in TMDC heterobilayers
TMDC heteroyapılarındaki katmanlar arası eksitonların fotofiziği
- Tez No: 866049
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM SARPKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Physics and Physics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
2004 yılında grafenin (tek katmanlı grafit tabakasının) ilk kez izole edilmesinden ve takip eden yıllarda elde edilen kayda değer keşiflerden bu yana, iki boyutlu (2D) malzemelere ve heteroyapılarına yönelik çalışmalara olan ilgi devamlı olarak artmıştır. Yeni 2D malzemelerin süregelen keşifleriyle birlikte bilinen malzeme özelliklerinin yelpazesi de önemli ölçüde genişlemiş, çeşitli uygulamalara yönelik hem teorik hem deneysel araştırma alanlarına dahil edilmelerine yol açmıştır. Birçoğu katmanlı van der Waals (vdW) malzemeleri sınıfına girmekte ve transfer tekniklerinde olan çeşitli gelişmeler ile vdW heteroyapılarının oluşturulabilmesinin önünün açılmasıyla birlikte kuantum teknolojilerinde ilerleme kaydedilmesi için heyecan verici olanaklar oluşmuştur. Bileşen katmanların benzersiz özellikleri, 2D malzemelerin yüksek taşıyıcı hareketliliği karakteristiği ile birlikte, çeşitli uygulamalar için çarpıcı özelliklere sahip cihazların geliştirilmesi açısından kapsamlı imkanlar sunmaktadır. Yarıiletken geçiş metali dikalkojenitlere (TMDC'lere) olan ilgi, atomik katman kalınlıklarında (yani tek katmanlarda) doğrudan bant aralıkları sergiledikleri ve olağanüstü optik, mekanik ve elektriksel özelliklere sahip oldukları için diğer 2D malzemelere göre önemli ölçüde artmıştır. Katman arası eksitonların emisyon özellikleri, bileşen katmanlar arasındaki açı ile kontrol edilebilir ve periyodik kuantum nokta benzeri Moiré potansiyellerine hapsolmaları sonucunda tek foton kuantum yayıcılarından oluşan bir süperörgü elde edilebilir. Bu tez çalışmasının ana odak noktası, kuantum uygulamalarının geliştirilmesi için sahip oldukları önem ve kapasitelerin kavranmasını sağlamak adına hBN ile kapsüllenmiş WSe2-MoSe2 heteroyapılarının katmanlar arası eksitonlarının fotofiziğini araştırmak ve anlamaktır. Bu çalışmada kullanılan heteroyapı numuneleri, önce 2D malzemelerin mikromekanik eksfoliyasyon yöntemi kullanılarak izole edilmesi ve ardından kuru transfer tekniği ile dikey olarak istiflenmesi ile üretilmiştir. Hazırlanan heteroyapıların katmanlar arası eksitonları üzerinde manyeto-PL, uyarma gücüne bağlı-PL, sıcaklığa bağlı-PL ve zamana bağlı-PL (TRPL) dahil olmak üzere çeşitli düşük sıcaklık optik spektroskopi yöntemleri kullanılmıştır. Son olarak, ev yapımı bir serbest-uzay Michelson interferometresi kullanılarak zaman düzleminde birinci dereceden korelasyon g(1)(τ) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Katmanlar arası eksitonların Moiré yapılarında hapsolmasının etkilerine ilişkin sonuçlarımız, hapsolan yayıcıların sahip olduğu güçlü korunmanın uzun süreli faz bozunum sürelerine (T2 ∼ 730 fs) yol açabileceğini göstermektedir. Çarpıcı bir şekilde, hBN ile kapsüllenmiş WSe2-MoSe2 heteroyapılarının katmanlar arası eksitonlarının iki spin hali (spin-tekli ve spin-üçlü) üzerinde uyguladığımız kuantum vuru interferometresi ölçümlerimiz, bu spinler arasında zaman düzleminde T2 ∼ 400 fs kadar sürebilen faz bozunum süreleriyle eşevreli kuplajın oluştuğunu da ilk kez göstermiştir. Katmanlar arası eksitonların faz bozunum özelliklerine ilişkin sonuçlarımız, kuantum fotonik ve vaditronik uygulamalarda eksiton tabanlı cihazların geliştirilmesinin geleceğine yönelik önemli katkılar sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
Since the first isolation of graphene (a single sheet of graphite) in 2004 and the remarkable discoveries achieved in the following years, there has been an ongoing growth in studies and interest in two-dimensional (2D) materials and their heterostructures. With the constant discovery of new 2D materials over time, their range of material properties has expanded significantly as well, opening up a greater variety of applications and corresponding theoretical and experimental research inquiries for their implementation. The majority of them are classified as layered van der Waals (vdW) materials, and the development of different transfer techniques has made it possible to fabricate vdW heterostructures, which introduced exciting possibilities for the development of quantum technologies. The unique characteristics of the constituent layers, in conjunction with the high carrier mobility characteristic of 2D materials, provide a wealth of opportunities for the development of devices with remarkable properties for various applications. Interest in semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) among other 2D materials has grown significantly owing to their exceptional optical, mechanical, and electrical properties, particularly as they exhibit direct bandgaps in atomic layer thicknesses (i.e., monolayers). The vdW heterostructures of monolayer TMDCs have been growing in popularity among researchers over the last decade since they typically exhibit staggered type-II band alignment, which promotes ultra-fast charge transfer between the constituent layers, in turn, leading to the formation of strongly Coulomb-bound electron-hole pairs (i.e., interlayer excitons, IXs) located in different layers. The emission characteristics of the IXs can be regulated by varying the twist angle between the constituent layers of the heterostructures, and a superlattice of single-photon quantum emitters of IXs through their localization to periodic quantum dot-like Moiré potentials can be achieved. The main focus of this dissertation is investigating and understanding the photophysics of IXs of hBN-encapsulated WSe2-MoSe2 heterobilayers, which will allow one to grasp the importance and capabilities they hold for the development of quantum applications. The heterobilayer samples used in this study were fabricated by first isolating the 2D layers using the micromechanical exfoliation method and then vertically stacking them via the dry transfer technique. Low-temperature photoluminescence (PL) spectroscopy methods have been performed on the IX species of the fabricated heterobilayers, including magneto-PL, excitation pump power-dependent PL, temperature-dependent PL, and time-resolved PL (TRPL). Finally, first-order correlation g(1)(τ) measurements in the time domain were performed using a home-built free-space Michelson interferometer. Our results on the effect of Moiré-localization of IXs demonstrate that the well-protection of the localized emitters can lead to prolonged dephasing times (T2 ~ 730 fs). Remarkably, we have also successfully shown the presence of coherent coupling for the first time between the two spin states (spin-singlet and spin-triplet) of IXs of hBN-encapsulated WSe2-MoSe2 heterobilayers by utilizing the quantum beat interferometry in the time domain with resulting dephasing times up to T2 ~ 400 fs. Our results on the dephasing characteristics of IXs can provide important insights into the future of exciton-based device development in quantum photonic and valleytronic applications.
Benzer Tezler
- Microcavity coupled interlayer excitons in MoSe2-WSe2 heterostructures
Mikrokavite içerisinde entegre MoSe2-WSe2 heteroyapılarında katmanlar arası eksitonlar
ŞEYMA ESRA ATALAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM SARPKAYA
- 2B organik-inorganik hibrit perovskit/geçiş metali dikalkojenit heteroyapılı optik soğurma tabakalarının geliştirilmesi
Development of 2D organic-inorganic hybrid perovskite/transition metal dichalcogenide heterostructured optical absorption layers
ALP YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilim ve TeknolojiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYDAN YELTİK
- Photophysics of quantum emitters in hexagonal boron nitride
Altigen bor nitrürdeki kuantum yayicilarin fotofiziği
HİLAL KORKUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM SARPKAYA
- Controlling exciton photophysics in single-walled carbon nanotubes
Tek duvarlı karbon nanotüplerde eksiton fotofiziğinin kontrolü
İBRAHİM SARPKAYA
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiStevens Institute of TechnologyFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. STEFAN STRAUF
- Rodamin b ve merosiyanin 540 dye bileşiklerinin kil (Ünye bentonit) içeren süspansiyonlarda moleküler adsorpsiyonu, agregasyonu ve fotofiziği
Molecular adsorption, aggregation and photophysics of rhodamine b and merocyanine-540 dye compounds in suspensions including clay (Unye benonite)
MEHMET KAYA