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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Studio delle dinamiche eccitoniche e di spin/valley in semiconduttori bidimensionali e relative eterostrutture

La scoperta del grafene (2004) ha rivoluzionato il panorama scientifico a causa delle sue uniche proprietà ottiche ed elettroniche derivanti dalla sua peculiare struttura a bande. Pochi anni dopo la scoperta del grafene, sono stati isolati in forma bidimensionale, numerosi altri materiali che presentano caratteristiche diverse a seconda della loro composizione chimica. 

Una parte di questi materiali appartiene alla famiglia dei cosiddetti Transition Metal Dichalcogenides (TMD). Un singolo “foglio” di TMD è formato da un reticolo esagonale di atomi di metalli di transizione (M) racchiuso da due reticoli anch’essi esagonali di atomi calcogeni (X). Tra tutte le possibili combinazioni, i composti TMD più studiati sono quelli in cui il metallo di transizione è Mo oppure W mentre l’atomo di calcogeno è S oppure Se (MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2). Il grande interesse attorno a questi materiali deriva dal fatto che, al contrario del grafene che è un semimetallo, i TMD sono semiconduttori. Tale proprietà li rende particolarmente adatti alla realizzazione di una nuova generazione di dispositivi elettronici ed optoelettronici. I TMD cambiano drasticamente la loro struttura a bande passando da semiconduttori a gap indiretta a semiconduttori a gap diretta quando vengono ridotti a singolo layer. In tale configurazione, la struttura a bande è caratterizzata da due valli non equivalenti nei punti K e K’ al bordo della zona di Brillouin. La forte interazione di spin-orbita e la rottura della simmetria di inversione fanno sì che le bande di valenza e conduzione in K/K’ siano polarizzate in spin. Un’importante conseguenza di tale struttura a bande è che, utilizzando luce polarizzata circolarmente, è possibile popolare in modo selettivo, con carriers polarizzate in spin, una delle due valli. Ciò ha dato origine al cosiddetto campo della “valleytronics” ovvero alla possibilità di utilizzare il grado di libertà di valle per esperimenti di quantum computation.

Un’altra importante proprietà dei TMD è che a causa del forte confinamento quantico, l’interazione coulombiana tra elettrone e lacuna è debolmente schermata. Da ciò deriva che l’energia di legame dell’eccitone (stato legato di un elettrone e di una lacuna) è pari a centinaia di meV ovvero almeno due ordini di grandezza più grande rispetto agli eccitoni in quantum well. Una conseguenza di tale effetto è che le proprietà ottiche dei TMD anche a temperatura ambiente sono dominate da effetti eccitonici.  Sebbene le proprietà ottiche dei TMD siano state ampiamente studiate e modellizzate, le loro proprietà ottiche fuori dall’equilibrio non sono ancora del tutto comprese e sono oggetto di investigazione[1].

Il lavoro di tesi proposto è di carattere sperimentale e si focalizza su:

- Studio delle dinamica di cariche foto-eccitate e di eccitoni in semiconduttori TMD mediante esperimenti di spettroscopia ottica pump/probe. Il candidato dovrà utilizzare il setup di microscopia pump-probe realizzato nel laboratorio di spettroscopia ottica ultraveloce “Clark” per studiare i meccanismi di rilassamento, di ricombinazione e di rinormalizzazione delle bande che dominano la risposta fuori dall’equilibrio dei TMD[2].

Partners: Cambridge Graphene Center, ICFO, Technical University of Wien, CNR-ISM

- Studio della dinamica di spin e valle in semiconduttori TMD mediante esperimenti di Faraday/Kerr rotation e di dicroismo circolare risolti in tempo. Il candidato dovrà utilizzare il setup di microscopia pump probe realizzato nel laboratorio di spettroscopia ottica ultraveloce “Clark” ed il più recente setup realizzato nel laboratorio “Ultras”, per studiare i meccanismi di scattering inter e intrabanda in semiconduttori TMD al variare della temperatura e del doping residuo[3,4].

Partners: Cambridge Graphene Center, ICFO, Technical University of Wien, CNR-ISM

- Studio della dinamica di trasferimento di carica in heterobilayers di TMD e eterostrutture miste di graphene-TMD. Questo processo è alla base di processi fotovoltaici nei materiali 2D. Il meccanismo di trasferimento di carica e la sua dipendenza dall’angolo di twist tra i singoli layers è ancora sconosciuto. Risultati preliminari hanno mostrato anche la possibilità di mantenere la polarizzazione di valle durante il trasferimento di carica e di creare, in tal modo, una polarizzazione di valle delle carriers fotoeccitate estremamente robusta e long-lived. Il candidato dovrà utilizzare il setup di microscopia pump probe realizzato nel laboratorio di spettroscopia ottica ultraveloce “Clark” ed il più recente setup realizzato nel laboratorio “Ultras”, per studiare i processi di trasferimento di carica e di valle in eterostrutture al variare della temperatura e dell’angolo di twist.

Partners: Cambridge Graphene Center, ICFO, University of Texas, IIT (Pisa) Columbia University, University of Southern California


Bibliografia

[1] S. Dal Conte et al. Trend in Chemistry (2019) article in press (https://doi.org/10.1016/j.trechm.2019.07.007)
[2] E. A. A. Pogna et al. ACS Nano 10, 1182-1188 (2016).
[3] S. Dal Conte et al. Phys. Rev. B 92, 235425 (2015).
[4] Z. Wang et al. Nano Lett. 18, 11, 6882-6891 (2018).



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