Microcavity coupled interlayer excitons in MoSe2-WSe2 heterostructures
Mikrokavite içerisinde entegre MoSe2-WSe2 heteroyapılarında katmanlar arası eksitonlar
- Tez No: 893684
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM SARPKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- 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: 108
Özet
Grafenin keşfinden sonra, iki boyutlu (2D) malzemeler olağanüstü mekanik, optik ve elektronik özellikleri nedeniyle büyük ilgi gördü. İyi bilinen 2D malzeme ailelerinden biri geçiş metali dikalkogenidlerdir (TMD'ler). Elektronik bant aralıkları, tek tabaka sınırına ulaşıldığında dolaylıdan doğrudana geçer ve bu da onları yoğun madde ve ışık-madde etkileşimlerindeki çok cisim etkileşimlerini incelemek için mükemmel bir ortam haline getirir. Ayrıca, tek tabaka TMD'lerini üst üste istiflemek, heteroyapıların (HS) oluşturulmasını sağlar. Tek tabaka TMD'lerinden yapılan dikey van der Waals heteroyapılarında iki tür eksiton oluşumu gözlenir: biri, aynı malzeme içinde güçlü bir şekilde Coulomb etkileşimli elektron-deşik çiftinden oluşan katman içi eksitonlar ve diğeri, farklı katmanlardaki uzamsal olarak ayrılmış elektronlar ve deşiklerden oluşan katmanlar arası eksitondur. TMD'lerdeki katman içi eksitonlar, uzamsal sınırlama nedeniyle daha yüksek osilatör kuvvetleri sergiler. Ayrıca, katman içi ve katmanlar arası eksitonların optik kaviteler ile birleştirilmesi, eksitonlar ve fotonlar arasındaki çapraz geçiş olaylarının gözlenmesine olanak tanır. Sonuç olarak, TMD'ler ve onların heteroyapıları, eksiton-polariton oluşumunu ve ilişkili fotofiziksel özelliklerini araştırmak için çok yönlü bir platform sağlar. Bu tez, neredeyse hekzagonal MoSe2-WSe2 HS'larda katmanlar arası eksitonların (IEX) oda ve düşük sıcaklık fotolüminesans (PL) spektroskopisinin ayrıntılı bir çalışmasını sunar. İncelenen hekzagonal bor nitrür (hBN) kapsüllenmiş heteroyapılar, aşağıdaki yöntemlerin bir kombinasyonu ile üretilmiştir: (i) yığın malzemeden monokatmanları ayırmak için mekanik eksfoliasyon, (ii) heteroyapıya ulaşmak için bunları dikey olarak istiflemek üzere kuru transfer tekniği ve (iii) istifleme sırasında monokatmanlar arasındaki dönme açısını ayarlamak için kenar tanımlama yöntemi. Fabry-Pérot (FP) düzlemsel mikro kaviteleri, katmanlar arası eksiton-polaritonları incelemek amacıyla plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemi kullanılarak farklı kavite modlarıyla hem oda hem de düşük sıcaklık fotolüminesans spektroskopisi çalışmaları için üretildi. Üretilen boşluklar, dağıtılmış Bragg aynalarının (DBR'ler) dönüşümlü katmanlarını ve kalınlıklarını görüntülemek için transmisyon elektron mikroskobu ve odaklanmış iyon demeti litografisi ile daha detaylı olarak karakterize edildi. MoSe2-WSe2 heteroyapılarındaki IEX'ların PL'ı hem oda hem de düşük sıcaklıklarda ölçüldü. Düşük sıcaklık ölçümleri, bir mikro-PL kurulumuna entegre edilmiş kapalı çevrimli bir kriyostat kullanılarak gerçekleştirildi. Sonuçlar, heteroyapılarımızın neredeyse altıgen bir yapı sergilediğini göstermektedir. IEX'ların spin-üçlü ve spin-tekli durumlarının yoğunlukları yaklaşık 1,35-1,42 eV enerji aralığında belirgindir. Spin-üçlü ve spin-tekli IEX'ların arasında gözlemlenen bölünme 27-34 meV aralığındaydı. IEX'ların sıcaklık ve pompa gücü bağımlılığına ilişkin daha ileri araştırmalar, spin-üçlü IEX'nun yoğunluğunun 3,5 K ile 50 K arasındaki sıcaklık değişimlerine karşı oldukça hassas olduğunu ve daha yüksek sıcaklıklarda daha az yoğun hale geldiğini ortaya koydu. Spin-tekli IEX'nun yoğunluğu da azalmasına rağmen, 50 K'de tespit edilebilir düzeyde kaldı. Pompa gücünün benzer bir uyarım aralığı içinde artmasıyla birlikte, spin-üçlü IEX için 15 meV'luk bir maviye kayma gözlemlenirken, spin-tekli IEX yalnızca 3 meV'luk bir maviye kayma sergiledi. Bu, spin-üçlü durum IEX'larının yoğunluğunun, spin-tekli durum IEX'una göre daha yüksek pompa gücüyle daha önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Ek olarak, spin-tekli IEX'un ömrü zaman çözünürlüklü fotolüminesans (TRPL) spektroskopisi kullanılarak ölçüldü. Hızlı ve yavaş bozunma bileşenleri sırasıyla birkaç nanosaniye ve birkaç on nanosaniye aralığındaydı. Dahası, FP kavite ile aynı rezonans dalga boyuna sahip olan spin-tekli IEX emisyonunda enerjide yaklaşık 9 meV bölünme gözlemlendi. Bu bölünme, k∥ sıfıra eşit olduğunda katmanlar arası eksiton-polariton oluşumuna atfedilebilir. Ancak, bu emisyonun polariton oluşumuna ait olduğundan emin olmak için tüm açı çözünürlüklü PL spektrumu ölçülmelidir.
Özet (Çeviri)
After the discovery of graphene, two-dimensional (2D) materials gained immense attention due to their exceptional mechanical, optical, and electronic properties. One of the well-known family of 2D materials is transition metal dichalcogenides (TMDs). Their electronic bandgap makes a transition from indirect to direct when the monolayer limit is reached, making them an excellent medium for studying many-body interactions in condensed matter and light-matter interactions. Also, stacking monolayer TMDs on top of each other enables the creation of heterostructures (HS). The vertical van der Waals heterostructures made from monolayer TMDs can host two types of excitons: one is the intralayer excitons consisting of the strongly Coulomb-bound electron-hole pair within the same material, and the other one is the interlayer exciton made up by spatially separated electrons and holes located in different layers. Intralayer excitons in TMDs exhibit higher oscillator strengths due to spatial confinement. Furthermore, coupling intra- and interlayer excitons with optical cavities allows for observing anticrossing phenomena between excitons and cavity photons. Consequently, TMDs and their HSs provide a versatile platform for investigating exciton-polariton formation and their associated photophysical properties. This thesis presents a detailed study of the room- and low-temperature photoluminescence (PL) spectroscopy of interlayer excitons (IEX) in near-hexagonal MoSe2-WSe2 HSs. The studied hexagonal boron nitride (hBN) encapsulated heterostructures were fabricated using a combination of three methods: (i) mechanical exfoliation for cleaving the monolayers from bulk material, (ii) dry transfer technique to stack them vertically to achieve the heterostructure and (iii) edge identification method to adjust the twist angle between monolayers during stacking. Fabry-Pérot planar microcavities were fabricated for both room and low-temperature studies with different cavity modes using plasma-enhanced chemical vapor deposition with the aim of studying the interlayer exciton-polaritons. Fabricated cavities were further characterized by transmission electron microscopy and focused ion beam lithography for imaging the alternating layers of distributed Bragg mirrors (DBRs) and their thicknesses. The PL of IEXs in MoSe2-WSe2 heterostructures were measured both at room and low temperatures. Low-temperature PL measurements were conducted using a closed-cycle cryostat integrated into a home-built micro-PL setup. The results indicate that our heterostructures exhibit a near-hexagonal structure. The intensities of the spin-triplet and the spin-singlet states of the IEXs are prominent in the energy range of approximately 1.35-1.42 eV. The observed splitting between the spin-triplet and spin-singlet IEXs was in the range of 27-34 meV. Further investigations into the temperature and pump power dependence of the IEXs revealed that the intensity of the spin-triplet IEX is highly sensitive to temperature variations between 3.5 K and 50 K, becoming less intense at higher temperatures. Although the intensity of the spin-singlet IEX also decreased, it remained detectable at 50 K. With increasing pump power, a blueshift of 15 meV was observed for the spin-triplet IEX, while the spin-singlet IEX exhibited a blueshift of only 3 meV in the same pump power range. This indicates that the density of the spin-triplet state IEX increases more significantly with higher pump power than the spin-singlet state IEX. Additionally, the lifetime of the spin-singlet IEX was measured using Time-Resolved Photoluminescence (TRPL) spectroscopy. The fast and slow decay components were in the range of a few nanoseconds and a few tens of nanoseconds, respectively. Moreover, an approximately 9 meV splitting on the spin-singlet IEX PL emission was observed in one of the studied emitters, which has the same resonance wavelength as the FP cavity. This splitting might be attributed to the interlayer exciton-polariton formation at k∥ equals zero. However, the whole angle-resolved PL spectrum should be measured to ensure this emission belongs to the polariton formation.
Benzer Tezler
- Physics and applications of coupled cavity structures in photonic crystals
Fotonik kristallerdeki etkileşimli-kavite yapılarının fiziği ve uygulamaları
MEHMET BAYINDIR
Doktora
İngilizce
2002
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Use of metal templates for microcavity formation in alumina
Alümina içinde mikroboşluk oluşturulması için metal şablonlar kullanılması
SIRMA BALKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Seramik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT AKKURT
- Elastic light scattering, fluorescence, and Raman spectroscopy of a diamond microsphere
Elmas mikroyuvarın elastik ışık saçılması, fotoışıma ve Raman izge ölçümleri
MUSTAFA MERT BAYER
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiOptoelektronik ve Fotonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SERPENGÜZEL
- Towards implanted biosensors: Methods for miniaturising and protectingpeptide-based electrochemical sensors
Başlık çevirisi yok
AHMET UÇAR
- Ultrahigh resolution optical spectroscopy of liquid microdroplets using tapered optical fiber waveguides
Süperhidrofobik yüzey üzerinde duran sıvı mikrodamlaların inceltilmiş optik fiber ile ultrayüksek çözünürlükte optik spekstroskopisi
YASİN KARADAĞ
Doktora
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER KİRAZ