Excitonic complexes in transition metal dichalcogenides and related materials

Datum: 25 september 2019

Locatie: Campus Groenenborger, U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen (route: UAntwerpen, Campus Groenenborger)

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Matthias Van der Donck

Promotor: Fran├žois Peeters

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Matthias Van der Donck - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

In deze thesis worden de eigenschappen van excitonen, welke gebonden toestanden zijn van een elektron en een holte, en hogere orde excitonische complexen zoals trionen en biexcitonen bestudeerd in monolaag transitiemetaal dichalcogeniden (TMDs) en gerelateerde materialen zoals monolaag zwarte fosfor en TMD heterostructuren.

Voor excitonen wordt een vergelijking gemaakt tussen de eindige elementen oplossingen van het multi- en eenbandmodel, wat aantoont dat het multibandmodel de bindingsenergie verlaagt en leidt tot een herschikking van en een breking van ontaarding tussen intervallei excitonen met verschillende draaimomenta. Voor trionen en biexcitonen wordt de stochastisch variationele methode gebruikt om het eenbandmodel numeriek op te lossen. Voor alle drie de excitonische complexen wordt gevonden dat de bindingsenergieën, welke berekend worden voor verschillende combinaties van TMDs en substraten en welke vergeleken worden met theoretische en experimentele resultaten uit de literatuur, extreem groot zijn.

Vervolgens wordt de aanwezigheid van een loodrecht magneetveld beschouwd en er wordt aangetoond dat dit de bindingsenergie van excitonen, trionen en biexcitonen in monolaag TMDs verhoogt. Er wordt gevonden dat de diamagnetische shift van deze excitonische complexen toeneemt met toenemende diëlektrische constante van het substraat en aan de hand van de berekende exciton Landauniveaus wordt getoond hoe het magneetveld de ontaardingen van de geëxciteerde toestanden verandert. Voorts wordt aangetoond dat zogenoemde donkere excitonen een uitzonderlijk sterk vallei Zeemaneffect vertonen in de aanwezigheid van een schuin magneetveld.

Monolaag materialen met anisotrope bandmassa's worden vervolgens onderzocht en er wordt gevonden dat in zwarte fosfor deze anisotropie zich doorzet in de excitonische complexen terwijl dit in TiS3 niet het geval is. Het blijkt dat het uniaxiaal uitrekken van zwarte fosfor leidt tot een verhoging van de exciton bindingsenergie.

Verder worden interlaag excitonen in TMD heterostructuren bestudeerd en er wordt aangetoond dat additionele polarizatie-effecten in deze systemen hun bindingsenergie, welke wordt berekend voor alle mogelijke combinaties van TMDs, aanzienlijk kunnen verlagen. De experimentele aanwijzing voor deze interlaag excitonen blijkt controleerbaar te zijn met een loodrecht elektrisch veld.

Ten slotte wordt de mogelijkheid tot interlaag excitonische superfluïditeit, waar momenteel intensief naar wordt gezocht in experimenten, in een superrooster van TMD heterostructuren onderzocht en zeer hoge kritische temperaturen tot 270 K worden gevonden.

Deze thesis draagt nieuwe inzichten bij aan het domein van sterk gebonden tweedimensionale excitonische complexen in monolaag materialen, waaronder hoe hun eigenschappen kunnen worden gecontroleerd en hun belang in exotische fenomenen zoals hoge-temperatuur superfluïditeit.



Link: http://www.uantwerpen.be/wetenschappen