Thoeretical modelling of opto-electronic properties of monolayer TMDC materials

Kleiner, flexibler, effizienter! Dieser Trend zeigt sich deutlich in der Entwicklung neuer elektronischer Bauteile. Übergangsmetall-Dichacogenide sind in diesem Zusammenhang eine vielversprechende Materialklasse, um dieses Ziel ins Extreme zu führen, da Proben, die nur wenige Atome dick sind, mit diesen Materialien präpariert werden können. Trotz dieser kleinen Dicke zeigen TMDCs eine starke Kopplung zu elektromagnetischen Feldern; wegen ihrer geringen Dicke sind diese opto-elektronischen Eigenschaften sensibel gegenüber äußeren Einflüssen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden in mehreren Studien ausgewählte Aspekte der opto-elektronischen Eigenschaften halbleitender TMDC-Monolagen untersucht. Die Materialien wurden mithilfe eines hybriden Ansatzes untersucht, der Methoden der Dichtefunktional-Theorie (DFT) mit Methoden der Dichtematrix-Theorie kombiniert, um ein effektives und präzises Werkzeug zur parameterfreien Beschreibung der untersuchten Systeme zu erhalten. Ergebnisse von DFT-Rechnungen wurden hierbei als Ausgangspunkt genommen, um eine modellhafte Beschreibung des nicht-wechselwirkenden Grundzustands des Systems zu entwickeln, auf dessen Basis die optischen und dynamischen Eigenschaften mit Hilfe eines Dirac-/Halbleiter-Bloch-Ansatzes (DBE/SBE) analysiert werden konnten. Hierbei bildete insbesondere die Modellbildung zur Beschreibung der Coulomb-Wechselwirkung ein fundamentales Bindeglied zwischen den beiden Ansätzen. Den Schwerpunkt einer ersten Studie bildete folgerichtig die Erweiterung und Analyse eines Modells dieser Wechselwirkung, sowie weiterführende Untersuchungen der Modifikation der Wechselwirkung durch angeregte Ladungsträger und die dielektrische Umgebung, und schließlich deren Implikation für die elektronischen und optischen Energiespektren. Auf Basis des Coulombpotentials eines Schichtsystems und der aus DFT-Rechnungen resultierenden Wellenfunktionen wurde ein isotropes Modell für die Coulombmatrixelemente in der Umgebung der direkten Bandlücken gefunden. Eine direkte experimentelle Beobachtung der Wechselwirkung ist nicht möglich, doch die gute Übereinstimmung der Ergebnisse für die ladungsträger- und umgebungsinduzierte Reduktion der Bandlücke und der Exzitonen-Bindungsenergien mit experimentellen Werten und etablierten theoretischen Modellen deuten darauf hin, dass das erarbeitete Modell eine sinnvolle und effiziente Näherung zur Beschreibung der Wechselwirkung darstellt. In allen nachfolgenden Untersuchungen wurde dieses Modell materialspezifisch angepasst und für die Wechselwirkungsbeschreibung im Bereich der Haupttäler (K/K′) und der Nebentäler verwendet. In einer zweiten Studie wurde die Magnetfeldabhängigkeit des exzitonischen Spektrums untersucht. Die diamagnetische Verschiebung der s-artigen Zustände mit einem g-Faktor von g_ns > 2 wurde in Äquivalenz zu experimentellen Studien gesehen. Darüber hinaus wurde auch die nicht direkt optisch adressierbare – das heißt nicht über Ein-Photon-Prozesse anregbare – p-artige Exzitonenreihe untersucht, die aufgrund ihrer Drehmomentquantenzahl eine zusätzliche lineare magnetische Abhängigkeit aufweist, welche zu einer Zeeman-Aufspaltung der Zustände führt. Eine indirekte optische Untersuchung dieser p-artigen Zustände ist bei geeigneten Anregungsbedingungen möglich, da Übergänge zwischen s- und p-artigen Zuständen optisch induziert werden können. Aufgrund der energetischen Ordnung der Exzitonen ist insbesondere der Fall einer anfänglichen Besetzung des 2s-Zustands interessant, da hier der Übergang zu den energetisch niedriger gelegenen 2p-Zuständen eine Verstärkung des Signals im Terahertz-Bereich (THz) impliziert. Aufgrund der unterschiedlichen Magnetfeldabhängigkeit ist diese Verstärkung, die teilweise durch Absorption durch 2s-3p- Übergänge abgeschwächt wird, darüber hinaus durch das magnetische Feld verstimmbar. Weiterhin kann die Lage des Gain-Maximums durch die Wahl der dielektrischen Umgebung verschoben werden. Während exzitonische Eigenschaften im Regime niedriger Anregungsdichten die optische Antwort des Materials dominieren, führt eine starke Anregung zu einer starken Renormierung der Bandlücke, die die Bandlücke um mehrere 100meV verringert, zu einem Ausbleichen der exzitonischen Resonanzen, und schließlich zu einer Verstärkung des optischen Probe-Signals im Bereich unterhalb der niedrigsten Exzitonen-Resonanz. Unsere Analyse der Ladungsträgerdynamik am Beispiel von MoTe2 hat gezeigt, dass die Ladungsträger nach einer optischen Anregung, bedingt durch die starke Coulombwechselwirkung, bereits auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden in heiße, Fermi-ähnliche Verteilungen relaxieren. In einer ersten Studie wurde der Fokus auf die Dynamik in der näheren Umgebung der direkten Bandlücke (Haupttal) gelegt, wobei eine Abschätzung des Beitrags der Seitentäler zeigte, dass dieser eine Zunahme der optischen Verstärkung bewirkt. Eine zweite Studie, in der die Analyse auf die gesamte Brillouin Zone (BZ) ausgedehnt wurde, zeigte, dass Streuzeiten in die Seitenminima (Nebentäler) sensibel von den Anregungsbedingungen abhängen. Allerdings konnte hier für keines der untersuchten molybdänbasierten Materialien gezeigt werden, dass durch optische Anregung erzeugte Ladungsträger, die in das Seitental streuen, dazu führen, dass sich das Seitental energetisch unter das Haupttal schiebt – für alle untersuchten Konstellationen blieb die Bandlücke der Monolage direkt. Abschließend wurde untersucht, wie sich die 1s-Exzitonenresonanz im linearen optischen Spektrum verändert, wenn sich ein Elektron-Loch-Plasma im Material ausgebildet hat. Es wurde eine lineare Verbreiterung der Resonanz beobachtet, die sich in einem schnelleren Abfall des integrierten Vier-Wellen-Mischsignals, separiert von Beiträgen möglicher inhomogener Verbreiterungen, messen lässt. Außerdem wurde gezeigt, dass beide Relaxierungsprozesse, das heißt sowohl das Abkühlen der Ladungsträgerverteilung, als auch die Neugruppierung der Ladungsträger in den unterschiedlichen Tälern, zu einer Verschmälerung der Resonanz führen.