Kontrolle über Licht-Materie Wechselwirkung in 2D Übergangsmetall-Dichalkogeniden durch maßgeschneiderte Verspannungen im Kristall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Realisierung exzitonischer Vielteilchenphasen ist ein großer Schritt hin zu neuartigen Konzepten der Quantenoptoelektronik. In der Frage, wie die Eigenschaften exzitonischer Systeme beeinflusst werden können, um solche exotischen Phasen zu erzeugen, spielt die Kontrolle durch Verspannungen im Kristallgitter eine zentrale Rolle. Im Gegensatz zu den vergleichsweisen geringen Effekten wachstumsinduzierter Verspannungen in traditionellen Halbleitern sind zweidimensionale (2D) Übergangsmetall-Dichalkogenide (engl. TMD) besonders gut geeignet, um starke Effekte durch maßgeschneiderte Verspannung hervorzurufen. Einzelne Lagen können extremen Verspannungen der Gitterzelle von bis zu 10% standhalten bevor die Deformationen unelastisch werden und das Material nachhaltig geschädigt wird. Die Falten, die in Einzellagen häufig vorzufinden sind, erinnern dabei vielmehr an die mechanischen Eigenschaften dünner Membranen als an robuste Volumenkristalle. Dementsprechend berichten zahlreiche Studien einen außerordentlich starken Einfluss von Kristalldeformationen auf die charakteristischen elektronischen und optischen Eigenschaften von TMDs, wie zum Beispiel auf die fundamentale Bandlücke, die Ladungsträgermobilitäten, die optische Auswahlregeln, und sogar Spin-Bahn Effekte. Die zugrundeliegende van der Waals (vdWs) Struktur dieser Kristalle erlaubt es dabei nahezu willkürliche Verspannungsfelder auf der Längenskala weniger Nanometer zu erzeugen. Aufgrund der reduzierten dielektrischen Abschirmung und der starken Coulomb-Wechselwirkung sind 2D Halbleitermaterialien außerdem eine höchst vielversprechende Plattform für Exzitonbasierte Anwendungen der Optoelektronik bei Raumtemperatur. Während sich die meisten Studien darauf konzentrierten Exzitonen durch Potenziale einzufangen, deuten neuere Experimente darauf hin, dass Verspannungen ebenfalls zur Kontrolle gerichteter Exzitonströme verwendet werden können. Diese Erkenntnisse motivieren die Erzeugung eindimensionaler (1D) Exzitonkanäle in 2D Materialien. Im Projektverlauf konnten maßgeschneiderte Verspannungen im Kristallgitter eines 2D Halbleiters deterministisch erzeugt werden, um sowohl elektronische wie auch exzitonische Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Es gelang uns Exzitonen in 1D Transportkanälen einzuschließen und ihre Beweglichkeit durch Unterdrückung der Streuung mit Phononen zu erhöhen. Durch ultraschnelle optische Injektion und Detektion konnten wir den uniaxialen Fluss von Exzitonen mit bis zu 100% Anisotropie sowohl bei sehr tiefen wie auch bei hohen Temperaturen nachweisen (siehe Publikation [P1]). Darüber hinaus fanden wir im optischen Spektrum einer einzelnen Lage des Halbleiters WSe2 Hinweise auf einen bisher unbeobachteten elektronischen Zustand, der mit der Verspannung des Kristallgitters in Falten korreliert zu sein scheint. Befindet sich dieser Zustand in Resonanz mit einem stark besetzten und hochdiffusiven Reservoir dunkler Exzitonen, entsteht ein äußerst effizienter Energietransfer zwischen den beiden Zuständen, der zu einem ausgesprochen intensiven Lumineszenzsignal führt. Insgesamt ist der aufgezeigte grundlegende Einfluss maßgeschneiderter Verspannungen auf den Transport von Exzitonen und die Eigenschaften lokalisierter Zustände in 2D Materialien von großer Bedeutung für grundlegende Anwendungen im Bereich der Festkörperphysik sowie neuartiger Technologien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Quasi-1D exciton channels in strain-engineered 2D materials. Science Advances, 7(44).
Dirnberger, Florian; Ziegler, Jonas D.; Faria, Junior Paulo E.; Bushati, Rezlind; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji; Fabian, Jaroslav; Bougeard, Dominique; Chernikov, Alexey & Menon, Vinod M.
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Relaxing Symmetry Rules for Nonlinear Optical Interactions in Van der Waals Materials via Strong Light–Matter Coupling. ACS Photonics, 9(2), 503-510.
Khatoniar, Mandeep; Bushati, Rezlind; Mekawy, Ahmed; Dirnberger, Florian; Alù, Andrea & Menon, Vinod M.
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Sensing the Local Magnetic Environment through Optically Active Defects in a Layered Magnetic Semiconductor. ACS Nano, 17(1), 288-299.
Klein, Julian; Song, Zhigang; Pingault, Benjamin; Dirnberger, Florian; Chi, Hang; Curtis, Jonathan B.; Dana, Rami; Bushati, Rezlind; Quan, Jiamin; Dekanovsky, Lukas; Sofer, Zdenek; Alù, Andrea; Menon, Vinod M.; Moodera, Jagadeesh S.; Lončar, Marko; Narang, Prineha & Ross, Frances M.
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Spin-correlated exciton–polaritons in a van der Waals magnet. Nature Nanotechnology, 17(10), 1060-1064.
Dirnberger, Florian; Bushati, Rezlind; Datta, Biswajit; Kumar, Ajesh; MacDonald, Allan H.; Baldini, Edoardo & Menon, Vinod M.
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Thermalization of Fluorescent Protein Exciton–Polaritons at Room Temperature. Advanced Materials, 34(15).
Satapathy, Sitakanta; Liu, Bin; Deshmukh, Prathmesh; Molinaro, Paul M.; Dirnberger, Florian; Khatoniar, Mandeep; Koder, Ronald L. & Menon, Vinod M.
