Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7791
Main Title: Exciton-phonon coupling in monolayers of transition metal dichalcogenides
Translated Title: Exziton-Phonon-Wechselwirkung in Monlagen von Übergangsmetall-Dichalcogeniden
Author(s): Selig, Malte
Advisor(s): Knorr, Andreas
Referee(s): Knorr, Andreas
Reiter, Doris
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Monolayers of transition metal dichalcogenides (TMDs) attracted much attention in recent research due to their promising optical and electronic properties for future technological applications. In this thesis, an excitonic description within the Heisenberg equation of motion formalism for the optical response of these semiconducting, ultra-thin materials is developed. Hereby the main focus lies on the interaction of excitons with phonons. The developed model is exploited to compute the homogeneous linewidth of excitons which is found to be in the order of some tens of meV. For instance, the linewidth increases from about 10 meV at 0 K to about 25 meV at room temperature in WS2. The main relaxation pathway in tungsten based materials is the relaxation to excitonic states at the Lambda valley energetically below the optical bright state. Since these processes are mediated by Lambda phonon emission, they contribute to the coherence lifetime even at very low temperatures. Additionally, the homogeneous linewidth in bilayer WS2 was found to exceed the monolayer width by at least 30 meV. This difference was attributed to a changed exciton dispersion, making the relaxation with M phonons predominant. Both observations are in excellent agreement with experimental results. Within this model, the impact of non-Markovian exciton-phonon coupling to the excitonic lineshape in the absorption spectrum is investigated. On the one hand emission and absorption of acoustic phonons gives rise to the formation of a pronounced shoulder of the high energy side of the main excitonic line. On the other hand emission of optical phonons leads to the formation of a sideband well above the excitonic line. Furthermore, a pronounced polaron red shift is found. The developed model is further applied to describe the phonon mediated thermalization and photoluminescence of excitons after resonant optical excitation. As a highlight, dark states in some TMD materials lead to a quenching of the luminescence intensity at low temperatures and an increasing luminescence intensity as a function of temperature. In molybdenum based materials, the bright state is the ground state, resulting in a decreasing luminescence yield as a function of temperature. This is in line with observations from recent experimental studies. Additionally, the impact of these low lying dark states on the intervalley exchange coupling is investigated. In the literature, the intervalley exchange coupling is predicted to be the dominant relaxation mechanism for optically injected spins. Here a quenching of this relaxation due to thermalization in low lying dark states is illustrated. Last, a heterostructure of a TMD layer and a graphene layer is considered. The Förster induced transition rate of optically generated excitons from the TMD to the graphene layer is computed microscopically and is found to be in the order of 1 ps for a closely stacked heterostructure. This value coincides nicely with recent experimental findings. All in all, the developed model leads to many prediction related to the exciton-phonon coupling in TMD monolayers which are in overall in nice agreement with experimental studies.
Monolagen von Übergangsmetall Dichalcogeniden (TMDs) haben aufgrund ihrer vielversprechenden optischen und elektronischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit in den letzten acht Jahren generiert. In dieser Doktorarbeit wird eine exzitonische Theorie innerhalb des Heisenberg Formalismus entwickelt, um die optische Antwort dieser ultradünnen Materialien zu beschreiben. Der Schwerpunkt dabei liegt auf der Behandlung der Exziton-Phonon-Wechselwirkung. Das entwickelte Modell wird angewendet um die homogene Linienbreite von Exzitonen zu berechnen. Diese befindet sich in der Größenordnung von einigen 10 meV für alle untersuchten Materialien. Beispielsweise steigt sie in WS2 von etwa 10 meV bei 0 K auf 25 meV bei Raumtemperatur. Interessanterweise dominiert die Relaxation in dunkle, niederenergetische Zustände am Lambda Punkt. Selbst bei ultrakalten Temperaturen tragen diese Prozesse signifikant zur Linienbreite bei, da sie Phononemissions getrieben sind. Weiterhin wurde die Linienbreite in der Bilage WS2 untersucht. Diese ist mindestens um 30 meV größer als in der Monolage, was auf eine veränderte Bandstruktur zurückzuführen ist. Während in der Monolage die Relaxation mit Lambda Phononen dominiert, streuen Exzitonen in der Bilage äußerst effizient mit M Phononen. Die präsentierten theoretischen Ergebnisse sind in exzellenter Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Eine nicht-Markovsche Beschreibung des Einflusses der Exziton-Phonon Wechselwirkung zeigt die Formierung von ausgeprägten Phononseitenbanden. Beispielsweise führen Emission und Absorption von akustischen Phononen zur Formierung einer ausgeprägten Schulter überhalb der exzitonischen Resonanz. Emission von optischen Phonon sorgt darüber hinaus zur Ausprägung einer starken Seitenbande einige 10 meV oberhalb der exzitonischen Resonanz. Das Modell wird weiterhin genutzt, um die Phonon-vermittelte Thermalisierung und Photolumineszenz nach optischer Anregung zu untersuchen. In exzellenter Übereinstimmung mit experimentellen Studien, steigt die Lumineszenzintensität in Wolfram basierten Materialien mit der Temperatur, was auf die niederenergetischen dunklen Zustände zurückzuführen ist. In Molybdän basierten Materialien hingegen fällt die Intensität mit steigender Temperatur, da hier der Grundzustand der optisch aktive Zustand ist. Weiterhin ist der Einfluss der dunklen Zustände auf die Intervalley Exchange Kopplung, dem dominanten Spin Relaxations Mechanismus, Gegenstand der Untersuchung. Hier stellt sich heraus, dass die Spin Relaxation durch die Anwesenheit dunkler Zustände stark unterdrückt wird. Zuletzt wird eine Heterostruktur bestehend aus einem TMD und Graphen untersucht. Mikroskopisch wird die Förstertransferrate von TMD Exzitonen ins Graphen berechnet. Diese beträgt etwa 1 ps für direkt aufeinanderliegende Monolagen gefunden, was in guter Übereinstimmung mit jüngsten experimentellen Resultaten ist.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8657
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7791
Exam Date: 18-Sep-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 19-Dec-2018
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): linear spectroscopy
transition metal dichalcogenides
excitons
exciton-phonon coupling
excitation transfer
lineare Spektroskopie
Übergangsmetall-Dichalkogenide
Exzitonen
Exziton-Phonon-Wechselwirkung
Anregungstransfer
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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