Magneto-optische Spektroskopie von halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden

• Antragsteller: Dr. Ashish Arora, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336082288

Atomar dünne Übrgangsetalldichalogenide (TMDC) der Form MX2 (M = Mo, W, ...; X = S, Se, Te) sind in letzter Zeit durch ihre außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften in den Fokus der aktuellen Forschung gerückt. Sie besitzen große Exzitonenbindungsgenergien (einige zehn meV), eine große Spin-Orbit-Aufspaltung von einigen hundert meV und spezifische Effekte wie die sogenannte Tal-Polarisation oder Tal-Kohärenz. Im Jahr 2015 wurden erstmals magento-optische Experimente an TMDC-Monolagen bei kryogenen Temperaturen mit unmodulierten Spektroskopiemethoden durchgeführt. Ziel des Projekts ist ein umfassendes Verständnis der magento-optischen Eigenschaften von atomar dünnen TMDCs zu erlangen. Wir planen, die Zeeman-Aufspaltung der Exzitonen in dünnen TMDC-Filmen im Magnetfeld (< 2 T) temperaturabhängig (10 K - 300 K) mit Hilfe von sensitiven Modulationstechniken mit einer um zwei Größenordnungen besseren Auflösung als mit bisherigen konventionellen unmodulierten Methoden zu vermessen. Wir werden die magnetfeldinduzierte Tal-Polarisation untersuchen, welche Einblicke in die dynamischen Prozesse, welche in den Tälern ablaufen, eröffnet. Wir werden auch erstmals magneto-optische Untersuchen an TMDC-Filmen durchführen, die dicker als eine Monolage sind, wie z.B. Bilagen, Trilagen, Quadrupellagen bis zum Limit des Volumenkristalls. So können wir den Einfluß des elektronischen Einschlusses und der dielektrischen Abschirmung auf die g-Faktoren der Exzitonen in TMDCs untersuchen und diese mit konventionellen Halbleiter-Quantenfilmen vergleichen. Bei der Untersuchung von Re-basierten Materialien wie ReS2 und ReSe2 erwarten wir auch fundamental unterschiedliche Ergebnisse bei verschieden dicken Schichten, da diese eine andere Dickenabhängigkeit wie die W- oder Mo-basierten TMDCs aufweisen, welche einen Übergang vom indirektem zum direkten Halbleiter zeigen. Schließlich werden wir die g-Faktoren von Exzitonen bei Temperaturen von T = 10 K bis zu Raumtemperatur vermessen. Zusammenfassend werden diese Untersuchungen die physikalischen Prozesse, welche die Magneto-Optik der neuartigen atomar dünnen Halbleiter bestimmen, verstehbar machen. Die erzielten Ergebnisse sind nicht nur für eine umfassende theoretische Beschreibung der TMDCs mit Hilfe der k.p -Theorie von großer Wichtigkeit, sondern auch für zukünftige Tal-basierte Bauelemente, die bei einem niedrigen Magnetfeld arbeiten sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Marek Potemski
• Mitverantwortlich: Dr. Thorsten Deilmann