Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9069
Main Title: Phononic and excitonic properties of transition metal dichalcogenides
Translated Title: Phononische und elektronische Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalcogeniden
Author(s): Tornatzky, Hans
Advisor(s): Maultzsch, Janina
Referee(s): Hoffmann, Axel
Maultzsch, Janina
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Transition metal dichalcogenides (TMDCs) like MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2 have attracted enormous interest in the past decade. TMDCs are van-der-Waals crystals with highly anisotropic properties, which allows the exfoliation of individual layers. Their remarkable physical properties, such as the high exciton binding energy and the locking of spin- and valley degree of freedom, make them promising for applications in optoelectronic, spintronic, and valleytronic devices. Phonons are fundamental to physical processes, like carrier and spin relaxation, exciton dynamics, and many more. However, experimental data of the complete phonon dispersion relations in these materials is still missing. In this thesis the first measurements of the full basal plane phonon dispersions of MoS 2 and WS 2 , determined by inelastic X-ray scattering, are presented. The results underline the two-dimensional nature of MoS 2 through the observation of a quadratic out-of-plane acoustic phonon branch (also called flexural mode), negligible dispersion in the out-of-plane direction and near-degenerate Davydov pairs. Supported by simulations of the dynamical structure factor and first-principles calculations several cases of activation and deactivation of branches could be explained. For WS 2 the influence of the out-of-plane component of the scattering point in reciprocal space was investigated. It was found that the branches forming a Davydov pair are selectively active with either even- or odd-l Bragg peaks. Further, photoluminescence measurements with different excitation energies on single-layer MoS2 and MoSe2 are presented in order to examine the esonance behavior of the conservation of circular polarization in these transition metal dichalcogenides. The circular polarization of the emitted light is found to be fully conservedin MoS 2 and up to 84%/79% (A/A − peaks) in MoSe 2 close to resonance. The values for MoSe 2 surpass any previously reported value. In clear contrast to previous reports, the degree of circular polarization decreases at energies lower than the prediction of the 2 LA phonon mechansim. These findings indicate that at least two competing processes underly the depolarization of the emission in single-layer transition metal dichalcogenides. Different mechansims currently debated in the community are discussed and two new mechansims are proposed for the valley depolarization in doped samples through exciton-electron scattering and through the decay of momentum-indirect trions. Furthermore, the influence of surface contamination on the circularly polarized luminescence from single-layer MoS 2 is presented. While the decay of polarization remains unaffected, observations of a blue shift of the excitonic transitions and dynamics of bright defect states on long time scales reveal the strong influence of the surrounding medium on the quasi two-dimensional material.
Die Stoffklasse der MX 2 Übergangsmetall-Dichalkogenide (engl. TMDCs) zu der Materialien wie MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 und WSe 2 gehören, haben im zurückliegenden Jahrzehnt auÿerordentliche Aufmerksamkeit in der Forschung erhalten. TMDCs sind van-der-Waals gebundene, geschichtete Strukturen mit hochgradig anisotropen Eigenschaften, die es erlauben einzelne Lagen mechanisch zu separieren. Ihre herausragendenden Eigenschaften, zu denen eine groÿe Exzitonenbindungsenergie und die gekoppelten Spin- und Valleyfreiheitsgrade gehören, machen sie zu einem vielversprechendem System für künfttge Anwenungen in der Optoelectronik, sowie der Spin- und Valleytronik. Phononen spielen eine fundamentale Rolle in physikalischen Prozessen, wie der Ladungsträger- und Spinrelaxation, der Exzitonendynamik und vielen weiteren. Nichtsdestotrotz ist eine vollständige Phononendispersionsrelation eines der TMDCs experimentell nicht bestimmt. In dieser Arbeit werden die ersten Messungen der vollständigen Phonendispersionen der Basalebene von MoS 2 und WS 2 durch inelastische Röntgenstreuung bestimmt. Die Ergebnisse unterstreichen den zweidimensionalen Charakter von MoS 2 durch die Beobachtung einer quadratischen Form des akustischen Phononenzweiges transversaler Auslenkung senkrecht zur Basalebene (ZA), sowie einer vernachlässigbaren Dispersion senkrecht zur Basalebene und nahezu degenerierter Davydov-Paare. Unterstützt durch Simulationen des dynamischen Strukturfaktors und ab-initio Berechnungen konnten mehrere Fälle von Aktivierung und Deaktivierung von Phononenzweigen erklärt werden. Für WS 2 wurde der Einfluss der Komponente senkrecht zur Basalebene des Streupunktes im reziproken Raum untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Zweige, die ein Davydov-Paar bilden, selektiv, entweder mit geradem oder ungeradem l-Miller Index Bragg-Peak aktiv sind. Weiterhin werden Photolumineszenzmessungen mit unterschiedlichen Anregungsenergien an einschichtigem MoS 2 und MoSe 2 vorgestellt, um das Resonanzverhalten der Erhaltung der zirkulären Polarisation in diesen Übergangsmetall-Dichalcogeniden zu untersuchen. Die zirkuläre Polarisation des emittierten Lichts ist nahe der Resonanz in MoS 2 vollständig und in MoSe 2 bis zu 84%/79% (A/A- Peaks) erhalten. Die Werte für MoSe 2 übertreffen jeden zuvor veröffentlichten Wert. Im deutlichen Gegensatz zu früheren Berichten, nimmt der Grad der zirkulären Polarisation bei Energien ab, die niedriger sind als die Vorhersage des 2 LA Phononen Mechanismus. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mindestens zwei konkurrierende Prozesse der Depolarisierung der Emission in einschichtigen TMDCs zugrunde liegen. Verschiedene Mechanismen, die derzeit in der Forschungsgemeinschaft betrachtet werden, werden im Kontext der Datenlage, unter hinzunahme der experimentell bestimten Dispersionsrelation, diskutiert. Desweiteren werden zwei neue Mechanismen für die Depolarisation in dotierten Proben durch Exziton-Elektronenstreuung und durch den Zerfall von Impuls-indirekten Trionen vorgeschlagen. Darüber hinaus wird der Einfluss von Oberflächenkontamination auf die zirkular polarisierte Lumineszenz von einschichtigem MoS 2 dargestellt. Während die Resonanz der zirkulären Polarisation unberührt bleibt, zeigen Beobachtungen einer Blauverschiebung der exzitonischen Übergänge, und die Dynamik optisch aktiver Defektzustände auf langen Zeitskalen, den starken Einfluss des umgebenden Mediums auf das quasi zweidimensionale Material.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10078
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9069
Exam Date: 27-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 18-Nov-2019
DDC Class: 539 Moderne Physik
Subject(s): phonon dispersion
valley polarization
transition metal dichalcogenides
TMDCs
MoS2
MoSe2
WS2
Phononendispersion
Übergangsmetall-Dichalkogenide
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
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