Фотолюминесценция с временным разрешением в дихалькогенидах переходных металлов

Дихалькогениды переходных металлов (ДХПМ) представляют собой неорганические соединения с химической формулой MX2, где M - атом переходного металла (например Mo, W), а X - атом халькогена (S, Se, Te). Объемный кристалл ДХПМ состоит из слоев, соединенных Ван дер Ваальсовой связью. Монослой ДХПМ состоит из подслоев X-M-X, где атомы M образуют ковалентные связи с атомами X. Впервые монослои ДХПМ были получены механическим отщеплением от объемных кристаллов с помощью скотча. Объемные ДХПМ являются непрямозонными полупроводниками, в то время их монослои - прямозонными. Оптические свойства ДХПМ сильно изменяются с толщиной образца. В спектре фотолюминесценции флейков, содержащих несколько слоев, наблюдается три пика, два из которых связаны с прямыми экситонами, образующимися в К точках зоны Бриллюэна из-за наличия сильного спин-орбитального расщепления, а третий - с непрямым экситоном. Изменение оптических свойств с уменьшением числа слоев, наличие экситонов в спектре при комнатной температуре, возможность механической сборки гетероструктур делают ДХПМ уникальными материалами, привлекательными для оптоэлектронных приложений. Целью данной работы является создание методики и исследование фотолюминесценции с пространственным разрешением в слоях и структурах на основе ДХПМ. Задачами этого исследования являются постановка методик измерения время-интегрированных и время-разрешенных спектров микро-фотолюминесценции, сборка гетероструктур hBN/WS2, их характеризация с помощью освоенных методик и спектроскопии комбинационного рассеяния и проведение измерений с временным разрешением на полученных образцах в широком диапазоне температур (10К-300К) и плотностей мощности возбуждения (0.01кВТ см^(-2) - 5кВТ см(-2)). В работе были собраны две экспериментальные установки для измерения спектров микро-фотолюминесценции. Первая установка используется для первичной характеризации образцов и позволяет проводить два типа измерений: спектроскопию в одной точке образца и картирование. В работе была собрана оптическая схема и написаны программы для автоматизации эксперимента. Вторая установка на основе фемтосекундного лазера и стрик-камеры используется для измерения спектров фотолюминесценции, усредненных по времени, и спектров фотолюминесценции с временным разрешением. В процессе выполнения работы была съюстирована оптическая схема. Монослои WS2 получены модифицированным методом механического расслоения с помощью металлической пленки. Гетероструктуры hBN/WS2 были собраны методом сухого горячего переноса. В стационарных спектрах ФЛ гетероструктуры hBN/WS2 при разных температурах обнаружены широкие пики, постепенно сужающиеся с понижением температуры. Интегральная интенсивность уменьшается при понижении температуры. Это объясняется тем, что основное состояние экситона/триона в ДХПМ, в которых в качестве металла выступает W, является темновым. В то же время, максимальная интенсивность возрастает при уменьшении температуры, что характерно для трионного пика. Измерения ФЛ с временным разрешением показали очень быструю динамику, слабо меняющуюся с температурой. Быстрая динамика также свидетельствует о трионной природе основного пика ФЛ. Можно сделать вывод, что монослои, полученные методом механического расслоения с помощью металлической пленки, являются сильно легированными. Созданный методический задел позволит собирать структуры на основе ДХПМ и управляющих электродов, паттеринированные либо расположенные на текстурированных подложках, а измерения спектров и динамики фотолюминесценции при разных температурах будут основным инструментом исследования подобных новых метаматериалов.