Transport and control of exciton complexes in 2D hybrid materials

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	31 August 2023
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Alexey Chernikov und Prof. Dr. David A. Egger und Prof. Dr. Vladimir Braun und Prof. Dr. Dominique Bougeard
Tag der Prüfung:	30 Januar 2023
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Nachwuchsgruppe Alexey Chernikov
Stichwörter / Keywords:	TMDCs, 2D materials, layered perovskites, excitons, exciton diffusion, trions, strain engineering, exciton-phonon interaction
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:	54660

Zusammenfassung (Englisch)

Two-dimensional materials are currently in the spotlight of nanotechnology research due to their intriguing optoelectronic properties, forming a highly promising platform for future technology. In these systems, electrons and holes form tightly bound excitons due to the strong Coulomb forces, dominating the optical response and providing an interface between optics and electronics. In this ...

Zusammenfassung (Englisch)

Two-dimensional materials are currently in the spotlight of nanotechnology research due to their intriguing optoelectronic properties, forming a highly promising platform for future technology. In these systems, electrons and holes form tightly bound excitons due to the strong Coulomb forces, dominating the optical response and providing an interface between optics and electronics. In this thesis, we first explore strain tuning of the exciton transport in monolayer transition metal dichalcogenides. A highly anisotropic exciton flow is demonstrated at both cryogenic and room temperature. We further directly observe the impact of strain engineering on the electronic bandstructure and consequential changes of exciton-phonon scattering. The second part of the thesis then focuses on the fundamental properties of excitons in two-dimensional hybrid perovskites. Here, two different transport regimes are discovered by directly monitoring the exciton transport as function of temperature. We observe free exciton propagation for temperatures above 50K and an anomalous behavior at cryogenic temperatures. Then, the impact of a structural phase transition changing the electronic band gap on excitons is investigated. By studying both exciton binding energy and diffusion, excitons are proven to be robust against the phase transition. Lastly, we combine the layered hybrid perovskites with graphene and hexagonal boron nitride to create gate-tunable hybrid heterostructures. This allows us to observe negatively and positively charged excitons or trions with exceptionally high binding energies up to 46 meV. These trions can dominate the light emission and are shown to be mobile.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Zwei-dimensionale Materialien sind eines der vielversprechendsten Nanomaterialien durch ihre vielseitigen optoelektronischer Eigenschaften. Durch die starke Coulomb Wechselwirkung in diesen Systemen formen Elektronen und Löcher stark gebundene Exzitonen, welche die optische Antwort dominieren und eine Verbindung zwischen Optik und Elektronik ermöglichen. In dieser Arbeit untersuchen wir zuerst ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Zwei-dimensionale Materialien sind eines der vielversprechendsten Nanomaterialien durch ihre vielseitigen optoelektronischer Eigenschaften. Durch die starke Coulomb Wechselwirkung in diesen Systemen formen Elektronen und Löcher stark gebundene Exzitonen, welche die optische Antwort dominieren und eine Verbindung zwischen Optik und Elektronik ermöglichen. In dieser Arbeit untersuchen wir zuerst die Auswirkungen von Verspannungen auf den Exziton Transport in Monolagen Übergangsmetalldichalkogenide. Wir zeigen, dass durch gezielte, lokale Verspannungen ein ein-dimensionaler Kanal für Exzitonen erzeugt werden kann. Zusätzlich wird direkt der Einfluss von Verspannungen auf die elektronische Bandstruktur und die daraus folgenden Änderung der Exziton-Phonon Kopplung untersucht. Im zweiten Teil der Arbeiten konzentrieren wir uns auf die fundamentalen Eigenschaften von hybriden, zwei-dimensionalen Perovskiten. Hier können wir freien Exziton Transport von Raumtemperatur bis 50K nachweisen, wobei unterhalb von 50K sich ein ungewöhnliches Transport Regime mit sehr schneller Ausbreitung und nachfolgender Lokalisierung zeigt. Zusätzlich wird der Einfluss eines strukturellen Phasenübergangs untersucht. Hier erweisen sich Exzitonen sowohl im Bezug auf ihre Diffusion als auch Bindungsenergie als sehr robust. Zuletzt kombinieren wir Perovskite Schichten mit Graphen und hexagonalen Boron Nitrid zu Feldeffekttransistoren. Dies ermöglicht den Nachweis von positiv und negativ geladenen Exzitonen, sogenannte Trionen. Diese besitzen eine außergewöhnliche hohe Bindungsenergie von 46 meV und können sowohl die Emission dominieren als auch sich frei bewegen.

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