Excitons in atomically thin tungsten disulfide (WS2) layers

Abstract

Atomically thin tungsten disulfide (WS2) is a promising new material with excellent optoelectronic properties for future nanoelectronic systems. In this thesis, the spatial non-uniformity in the photoluminescence (PL) and Raman properties, not only of the physical but also of intentionally created via femtosecond laser ablation, boundaries of tungsten disulfide (WS2) monolayers is studied. Moreover, we investigate the existence of quasiparticles that individually consist of two electron-hole pairs, known as biexcitons, in mechanically exfoliated WS2 flakes from 78 K up to room temperature by performing temperature and power dependent PL measurements. Finally, we investigate different cases of vertical WS2 heterostructures in a range of temperatures from 4K up to 300K and we examine the influence of the dielectric environment on the spin-valley polarization degree, as well as the intervalley electron/hole-phonon scattering mechanisms.

Το ατομικά λεπτό, μονοστρωματικό δισουλφίδιο του βολφραμίου (WS2) αποτελεί νέο, υποσχόμενο υλικό με εξαιρετικές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες για εφαρμογές σε καινοτόμα νανοηλεκτρονικά συστήματα.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αρχικό στόχο έχει η θεμελιώδης μελέτη και κατανόηση της παρατηρούμενης χωρικής ανομοιομορφίας στα φάσματα φωτοφωταύγειας (PL) αλλά και στα φάσματα Raman που παρουσιάζει το WS2. Επιπλέον, σημαντικό στόχο της διατριβής αποτελεί η πειραματική έρευνα για την ύπαρξη/σχηματισμό μοριακών εξιτονίων (biexcitons) στο WS2, σε θερμοκρασιακό εύρος από 78K έως και 300K, μέσω πειραμάτων συσχετισμού ισχύος διέγερσης και έντασης εκπομπής φωτοφωταύγειας. Τέλος, ζωτικό κομμάτι της συγκεκριμένης ερευνητικής μελέτης συγκροτεί η πειραματική αλλά και θεωρητική εξακρίβωση του φυσικού μηχανισμού που συσχετίζει το διηλεκτρικό περιβάλλον με το ποσοστό πόλωσης σπιν-ζωνών (spin-valley polarization) σε θερμοκρασίες από 4Κ έως 300Κ για την κατανόηση του ρόλου των φωνονίων σε φαινόμενα σκέδασης φορέων σε δισδιάστατες ετεροδομές WS2.