Quantum theory of moiré excitons in atomically thin semiconductors
Doktorsavhandling, 2024

In recent years, atomically thin nanomaterials have garnered significant attention for their intriguing physics and potential applications in novel technological devices. Transition metal dichalcogenides (TMDs) stand out due to the reduced screening resulting in a remarkably strong Coulomb interaction and the formation of excitons, Coulomb-bound electron-hole pairs, which dominate the material's optical properties even at room temperature. By vertically stacking two TMD layers, long-lived interlayer excitons emerge, with electrons and holes spatially separated in different layers. The introduction of another layer introduces interlayer tunneling and layer polarization. These can be finely tuned by adjusting the relative twist angle between layers, forming a moiré pattern capable of spatially trapping excitons.

This thesis aims to explore the exciton energy landscape in vertically stacked TMDs using a material-specific, quantum mechanical approach. The study delves into the various coupling mechanisms and their impact on the exciton band structure, subsequently influencing the material's optical properties. Additionally, the thesis investigates electric fields and twist angle engineering as externally accessible tuning knobs. The role of interlayer tunneling in bilayer systems is emphasized, revealing strongly layer-hybridized excitons that often dominate the material's optical spectra. Atomic reconstruction in the small twist angle regime is also examined, demonstrating its significant impact on the exciton energy landscape and exciton wave function. Finally, the twist-angle-dependent in-plane charge-separation is investigated and its relation to the inter-site hopping of the moiré exciton. In summary, this research sheds light on the physics governing moiré excitons in this promising class of atomically thin nanomaterials.

excitons

transition metal dichalcogenides

moiré physics

2D materials

PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1
Opponent: Prof. Thomas Heine, Dresden University of Technology, Germany

Författare

Joakim Hagel

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

Exciton landscape in van der Waals heterostructures

Physical Review Research,;Vol. 3(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Electrical tuning of moiré excitons in MoSe<inf>2</inf> bilayers

2D Materials,;Vol. 10(2023)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Impact of atomic reconstruction on optical spectra of twisted TMD homobilayers

Physical Review Materials,;Vol. 8(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hagel, J. Brem, S, Malic, E. Polarization and charge-separation of moiré excitons in van der Waals heterostructures

Kvantmekaniska och optiska egenskaper i 2D-material

Strävan att minska och effektivisera elektriska komponenter har länge drivit forskningen inom nanomaterial. Ett genombrott skedde 2004 när grafen, ett material med en tjocklek av endast en kolatom, syntetiserades och karakteriserades. Detta banade väg för ett nytt forskningsfält inom nanovetenskap, känt som tvådimensionella (2D) material. En särskilt spännande kategori av dessa är transition-metal dichalcogenides (TMDs), atomärt tunna halvledare med unika optiska egenskaper, som kan bli avgörande för framtidens ljusdetektorer och LED-teknologi. 

TMDs är inte bara lovande för praktiska tillämpningar, utan erbjuder också en fascinerande plattform för att utforska ny fysik. När dessa material belyses med en laser, exciteras elektroner till högre energinivåer, vilket skapar hål där elektroner saknas. I TMDs är attraktionen mellan de negativt laddade elektronerna och de positivt laddade hålen så stark att de bildar bundna kvantmekaniska partiklar kallade excitoner.

Denna avhandling undersöker vad som händer när två TMD-lager staplas ovanpå varandra och hur exciton-energierna påverkas av det andra lagret. Framförallt ställs ett fokus på hur dessa energier kan kontrolleras genom att ändra den relativa vinkeln mellan lagren, och hur små vridvinklar ger upphov till moirémönster som i sin tur kan leda till fångade excitoner. Dessa moiré-excitoner förändrar fundamentalt materialets optiska egenskaper och kan vara av intresse för optoelektriska tillämpningar i framtidens nanoteknologi.

Graphene Core Project 3 (Graphene Flagship)

Europeiska kommissionen (EU) (EC/H2020/881603), 2020-04-01 -- 2023-03-31.

Ämneskategorier

Atom- och molekylfysik och optik

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-8103-086-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5544

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1

Online

Opponent: Prof. Thomas Heine, Dresden University of Technology, Germany

Mer information

Senast uppdaterat

2024-08-23