Excitons in monolayer semiconductors in complex environments and under external fields

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-433957
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.43395

Zipfel, Jonas

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Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International
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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 29 Jun 2020 07:52

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	29 Juni 2020
Begutachter (Erstgutachter):	Dr. Alexey Chernikov
Tag der Prüfung:	4 Juni 2020
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Nachwuchsgruppe Alexey Chernikov
Stichwörter / Keywords:	exciton, dielectric disorder, perovskite, exciton diffusion, exciton radius
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	43395

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

The focus of this piece of work lies on the investigation of fundamental properties of tightly bound electron-hole pairs, so-called excitons, that are readily formed in the studied two dimensional semiconductor systems, upon excitation with light of adequate energy. Hereby the thesis is sectioned into four different projects. Firstly, the spatial extent of the exciton quasi-particles in ground (1s) and first excited (2s) state in monolayers of the transition metal dichalcogenide WS2 are investigated utilizing magneto-optical spectroscopy in fields up to 29 T. From these findings additional confirmation of a Wannier-Mott type nature of the excitons is found and further support for the applicability of an effective mass hydrogen-like model in these systems is given. The second project is concerned with the influence of disorder in the dielectric environment of this ultra-thin material and its impact on its optical response. Moreover, detailed insight is provided into how such disorder can be suppressed in a controlled way over large areas of up to 100’s of µm² by encapsulating samples in atomically-flat layers of insulating hexagonal boron nitride. In the third project, the transport properties of exciton states in such samples with suppressed disorder is studied at ambient conditions as well as at cryogenic temperatures. In the first case a strong increase of the diffusion efficiency is observed as compared to previous studies of disordered structures, whereas at low temperatures a generally high diffusion efficiency is found which shows an intriguing non-trivial decrease with increasing lattice temperature. Finally, the last project focuses on a different thin-film material system, that of layered hybrid perovskites, where a way to preserve the optical properties of these volatile materials by encapsulation with hexagonal boron nitride is discussed. Such stabilized systems then allow the following study of exciton dynamics as well as exciton transport in these materials.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung fundamentaler Eigenschaften von stark gebundenen Elektron-Loch Paaren, sogenannten Exzitonen, die in den untersuchten zwei dimensionalen Halbleitersystemen durch Licht passender Energie leicht formiert werden können. Dabei ist die Arbeit in vier verschiedene Einzelprojekte aufgeteilt. Zunächst wird die räumliche Ausdehnung der exzitonischen Quasipartikel im Grund- (1s) und ersten angeregten (2s) Zustand in Monolagen des Übergangsmetall-Dichalkogenids WS2 untersucht, wofür magneto-optische Spektroskopie in Feldern bis zu 29 T eingesetzt wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen geben weitere Bestätigung für eine Wannier-Mott-artige Natur der Exzitonen und stützen zudem die Anwendbarkeit eines wasserstoffähnlichen effektive Masse Models in diesen Systemen. Das zweite Projekt widmet sich dem Einfluss von Unordnung in der dielektrischen Umgebung dieses ultra-dünnen Materials und dessen Auswirkungen auf seine optische Antwort. Darüber hinaus wird detailliert diskutiert wie solche Unordnung in kontrollierte Weise über große Flächen von mehreren 100 µm² unterdrückt werden kann, indem die Proben in atomar flachen Lagen von dünnem, hexagonalen Bornitrid verkapselt werden. Im dritten Projekt werden die Transporteigenschaften der Exzitonen in solchen Proben mit unterdrückter Unordnung sowohl unter Raumbedingung als auch bei kryogenen Temperaturen untersucht. Im ersten Fall wird ein starker Anstieg der Diffusionseffizient im Vergleich zu Proben mit Unordnung einer vorangegangenen Studie beobachtet, während bei sehr niedrigen Temperaturen eine generell hohe Diffusionseffizient festgestellt wird, die einen nicht-trivialen Abfall mit steigender Temperatur aufweist. Das letzte Projekt befasst sich schließlich mit einem anderen Materialsystem, dem der geschichteten Hybrid-Perowskite, wobei ein Weg aufgezeigt wird, mit dem sich die optischen Eingeschalten dieser leicht degradierenden Materialien erhalten werden kann, indem sie ebenfalls in hexagonalem Bornitrid verkapselt werden. Diese stabilisierten Systeme erlauben dann die folgende Untersuchung von Exziton Dynamiken und Exziton Transport in diesen Materialien.

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