Study of the Charge-Transfer Dynamics at the Interface of Two-Dimensional Materials

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ladungsträgerdynamik und insbesondere der Lan- dungstransfer an Grenzflächen zweidimensionaler Übergangsmetall-Dichalkogeniden untersucht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein optimierter experimenteller Auf- bau entwickelt, der funktional in erster Linie ein Mikroskop ist, aber zugleich die Analyse eines frequenzverdoppelten Signals einer nur µm-großen Probe erlaubt. Hier- durch erlangen wir Zugriff auf die Kristallorientierung der Proben, und können zudem zeitaufgelöste Messungen mit einer Zeitauflösung von bis zu 10fs durchführen. Nach dem Entwurf und dem Aufbau des Experiments wurde dieses zunächst verwendet, um die Lebensdauer von Exzitonen in Mono- und Multilagen von MoS_2 zu untersuchen. Die Ergebnisse für die Lebensdauer der pumpinduzierten Signale bei diesem "proof- of-principle"-Experiment zeigten für die Monolagen τ_1 = 1,9 ± 0,7ps und τ_2 = 48,5 ± 2,1ps sowie τ_1 = 3,2 ± 0,9ps für die Multilagen - in guter Übereinstim- mung mit Werten aus der Literatur. Des Weiteren konnte gefolgert werden, dass der pumpinduzierte Abfall der nichtlinearen Suszeptibilität mit der Erzeugung von Exzi- tonen im Zusammenhang steht, wodurch sich deren Lebensdauer direkt vermessen lässt. Nachdem so die Viabilität des Experiments für die weitere Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in Heterostrukturen bestätigt wurde, haben wir unseren Fokus auf die Studie einer MoSe_2 /WSe_2 -Heterostruktur-Probe gesetzt. Die Heterostruktur wurde unter einem Fehlwinkel von 32,3° präpariert. Dabei nutzten wir aus, dass sich die Signale der einzelnen Monolagen in der Heterostruktur mit unserem Aufbau selektiv und zeitaufgelöst vermessen lassen. Dies wird ermöglicht durch polarisations- aufgelöste Messungen, bei denen man das Signal einer Monolage durch Feineinstel- lung der Polarisation des Sondierungsimpules unterdrückt, während die andere Mono- lage vermessen wird. Dieses Alleinstellungsmerkmal des Aufbaus in Kombination mit energieabhängigen Messungen enthüllte einen zuvor noch unbekannten bidirek- tionalen Ladungstransfer zwischen den Monolagen. Auf die resonante Anregung einer Monolage folgt verzögert eine Verringerung des generierten frequenzverdoppelten Sig- nals, die nur zu verzeichnen ist, während der Sondierungsstrahl sensitiv auf die an- dere Monolage ist. Das verzögert generierte Signal ist dagegen nicht sichtbar, wenn das Experiment auf die direkt angeregte Schicht eingestellt wird. Dieses Verhalten bekräftigt zusammen mit dem verzögerten Charakter des Abfalls die Interpretation der Ergebnisse als Ladungstransfer-Prozesses zwischen den Lagen, bei dem Interlayer- Exzitonen gebildet werden. Die bei dem so identifizierten Lochtransfer gefundenen Transferzeiten betragen τ_MoSe 2 →WSe_2 =210±60fs vom MoSe_2 ins WSe_2 nach Anre- gung mit 1,80eV sowie τ_WSe2 →MoSe2 =610±150fs nach Anregung mit 2,09eV. Der nächste Schritt auf dem Weg zum tieferen Verständnis des Ladungstransfer- Prozesses bestand in systematische Messungen an Proben zusammengesetzt aus MoS_2 - und WSe_2 -Monolagen unter verschiedenen Stapelwinkeln. Durch Anwendung der durch die vorangegangenen Studien gewonnen Erkenntnisse gelang es, einen Elektro- nentransfer aus dem WSe_2 ins MoS_2 zu identifizieren, nachdem das WSe_2 selektiv an- geregt wurde. Insgesamt wurden drei Stapelwinkel untersucht, wobei eindeutige Un- terschiede aufgedeckt werden konnten. Die gefundenen Transferzeiten variieren hier- bei stark für die unterschiedlichen Stapelwinkel zwischen 12 ± 4fs und 85 ± 9fs. Diese klare Diskrepanz zwischen den Proben wurde einem erhöhten räumlichen Überlapp der Wellenfunktionen zwischen Zuständen in der Grenzflächenebene zugeschrieben. Des Weiteren konnte die zentrale Rolle von hybridisierten Zuständen bei der Rekom- bination der angeregten Exzitonen gezeigt werden. Hierfür wurde die Pumpenergie auf 1,85eV erhöht. Die gesteigerte Anregungsenergie öffnet zuvor nicht aktive Rekom- binationskanäle über Zustände am Γ-Punkt, wodurch sich die Lebensdauer in allen Proben auf ≈200ps angleicht. Schlussendlich wurden noch Sondierungsmessungen an Proben von chiralen Metall- Halogenide durchgeführt. Die Ergebnisse festigen das Interesse an dieser einzigartigen Materialklasse und scheinen vielversprechend für zukünftige Anwendungen in kom- plexeren Van der Waals (VdW) Heterostrukturen.