Optical spectroscopy of van der Waals heterostructures

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	30 November 2021
Referee:	Prof. Dr. Tobias Korn
Date of exam:	21 October 2021
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller
Keywords:	transition metal dichalcogenide, TMDC, van der Waals heterostructure, twisted bilayer, interlayer exciton, photoluminescence, Raman
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	51079

Abstract (English)

In this work, van der Waals heterostructures are investigated via optical spectroscopy, specifically Raman scattering and photoluminescence. Twisted transition metal dichalcogenide bilayers are a promising system for research on valleytronics and future devices. Some two-dimensional crystals degrade when exposed to air. Long-term stability in ambient conditions is crucial for applications, and ...

Abstract (English)

In this work, van der Waals heterostructures are investigated via optical spectroscopy, specifically Raman scattering and photoluminescence. Twisted transition metal dichalcogenide bilayers are a promising system for research on valleytronics and future devices.

Some two-dimensional crystals degrade when exposed to air. Long-term stability in ambient conditions is crucial for applications, and therefore, the air tightness of full encapsulation of air-sensitive two-dimensional crystals between hexagonal boron nitride layers is verified. In twisted MoSe₂-WSe₂ heterostructures different interlayer exciton emission peaks are found and characterized by their energetic position, their spectral linewidth and their g factor. Time-resolved measurements of the valley polarization in high magnetic fields demonstrate long lifetimes and a distinct behaviour of the different interlayer excitons. Furthermore, measurements of the interlayer shear mode are employed to identify the stacking configuration of atomically reconstructed bilayers. For misaligned structures a moiré pattern forms and the twist angle can be determined precisely via folded acoustic phonons. Therefore, low-frequency Raman spectroscopy is presented as a powerful tool for the characterization of homo- and heterobilayers.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit werden van der Waals Heterostrukturen mithilfe von Raman- und Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Verdrehte Übergangsmetalldichalkogenid-Bilagen sind vielversprechende Materialien für die Forschung im Bereich Valleytronics und für zukünftige Applikationen. Einige zweidimensionale Kristalle oxidieren bei Kontakt mit Luft. Dennoch ist die Langzeitstabilität der Proben ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit werden van der Waals Heterostrukturen mithilfe von Raman- und Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Verdrehte Übergangsmetalldichalkogenid-Bilagen sind vielversprechende Materialien für die Forschung im Bereich Valleytronics und für zukünftige Applikationen.

Einige zweidimensionale Kristalle oxidieren bei Kontakt mit Luft. Dennoch ist die Langzeitstabilität der Proben unter Raumbedingungen essentiell für Anwendungen. Aus diesem Grund wird der Schutz gegen Raumluft durch die Einschließung von leicht oxidierendem Material zwischen hexagonalem Bornitrid demonstriert. In verdrehten MoSe₂-WSe₂ Heterostrukturen werden verschiedene Interlagen-Exzitonen-Peaks gefunden und durch ihre energetische Position, ihr spektrale Linienbreite und ihren g Faktor charakterisiert. Zeitaufgelöste Messungen der Valleypolarisation in starken Magnetfeldern zeigen lange Lebenszeiten und unterschiedliches Verhalten der verschiedenen Interlagen-Exzitonen. Des Weiteren werden Messungen der Interlagen-Scher-Mode zur Identifizierung der Stapelfolge von atomar rekonstruierten Bilagen genutzt. In verdrehten Probenstrukturen formt sich ein Moirémuster und der Verdrehwinkel kann mithilfe von gefalteten akustischen Phononen genau bestimmt werden. Somit eignet sich niederfrequente Raman Spektroskopie als ideale Methode zur Charakterisierung von Homo- und Heterobilagen.

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