Scalable integration of 2D semiconductors into photonic systems

  • After the great success of graphene in the field of electronics, the class of monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) has gained significant impact in the field of photonics due to their direct bandgap. Transparency and mechanical flexibility of two-dimensional (2D) semiconductors as well as other unique TMD properties like non-linearity and enormous spin-orbit splitting promise an extensive amount of possible applications. The latter, in particular, has become of great interest in the field of spin- and valleytronics. We demonstrate the scalable integration of monolayer TMDs into two different kinds of optical devices. In the first part of this thesis, we demonstrate selective enhancement of monolayer molybdenum disulfide (MoS2) photoluminescence (PL) in hybrid, free-standing, onedimensional (1D) photonic crystal cavities. These are based on a SiO2 platform with chemical vapor deposition (CVD)-grown monolayer MoS2 on top. The cavity in these "ladder-shaped" devices isAfter the great success of graphene in the field of electronics, the class of monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) has gained significant impact in the field of photonics due to their direct bandgap. Transparency and mechanical flexibility of two-dimensional (2D) semiconductors as well as other unique TMD properties like non-linearity and enormous spin-orbit splitting promise an extensive amount of possible applications. The latter, in particular, has become of great interest in the field of spin- and valleytronics. We demonstrate the scalable integration of monolayer TMDs into two different kinds of optical devices. In the first part of this thesis, we demonstrate selective enhancement of monolayer molybdenum disulfide (MoS2) photoluminescence (PL) in hybrid, free-standing, onedimensional (1D) photonic crystal cavities. These are based on a SiO2 platform with chemical vapor deposition (CVD)-grown monolayer MoS2 on top. The cavity in these "ladder-shaped" devices is realized by a gradual period decrease in the center of the device. In micro-photoluminescence (µ-PL) spectroscopic measurements, we observe three distinct modes at the majority of the investigated devices, that show a strong transverseelectric (TE) polarization and good spatial confinement. With an increase of the crystal period, we are able to tune the mode wavelength within the whole MoS2 PL bandwidth. At larger periods p > 285nm, we even observe a fourth mode emerging at small wavelengths within the emission spectrum. Almost every investigated mode exhibits a quality factor between 1000 and 4000. All findings are in good agreement with finite-difference time-domain (FDTD) simulations. In the second part of this thesis, we employ temperature as a further control parameter by introducing the phase change material vanadium dioxide (VO2), which is applicable to a variety of different devices. VO2 is a solid that switches from an insulating to a semiconducting phase at a critical temperature of 68 °C. If VO2 material is present in form of nanoclusters, this temperature varies. Moreover, it depends on the initial phase, which causes a large temperature dependent hysteresis (> 50 °C) in phase-sensitive observables. This is, for example, applicable to the refractive index. We demonstrate refractive index temperature control by manipulating the focusing abilities of so-called Fresnel zone plate (FZP) lenses fabricated from VO2 nanoclusters. FZP lenses are devices that are closely related to the field of "flat optics" and consist of concentric rings of well-defined width (the Fresnel zones) and alternating opacity. The blocking of destructively interfering components of an incident plane wave yields a focusing effect only by diffraction. In our experiments, FZP lenses are illuminated by off-chip LEDs as well as on-chip monolayer MoS2 PL emission. In order to fabricate temperature-sensitive FZP lenses, we deactivate the VO2 nanoclusters in every second Fresnel zone, leaving the residual zones active. During illumination at wavelengths in the infrared and red regime, we observe distinct changes in the lenses' focusing behavior emerging at the critical temperature, which allow the precise reproduction of a temperature dependent hysteresis curve. We find these changes in the interference patterns in agreement with FDTD simulations. Furthermore, we achieve on-chip MoS2 PL focusing. Although some effects emerge at on-chip illumination that are not completely understood, we are able to demonstrate proof-of-principle temperature dependent contrast changes between interference maxima and minima and to reproduce a hysteresis curve.show moreshow less
  • Nach dem großen Erfolg von Graphen auf dem Gebiet der Elektronik hat die Klasse der monolagigen Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) signifikanten Einfluss im Bereich der Photonik gewonnen. Transparenz und mechanische Flexibilität zweidimensionaler (2D) Halbleiter sowie weitere einzigartige TMD-Eigenschaften wie Nichtlinearität und eine immense Spin-Bahn-Aufspaltung versprechen weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere letztere Eigenschaft hat auf dem Gebiet der Spin- und Valleytronik großes Interesse geweckt. Wir demonstrieren die skalierbare Integration von TMD-Monolagen in zwei verschiedenen Arten optischer Bauteile. Im ersten Teil dieser Arbeit zeigen wir eine selektive Erhöhung der Photolumineszenz (PL) von Molybdändisulfid (MoS2) in hybriden, freistehenden, eindimensionalen photonischen Kristallkavitäten. Diese basieren auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Plattform, auf die eine MoS2-Monolage mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgewachsen ist. Die KavitätNach dem großen Erfolg von Graphen auf dem Gebiet der Elektronik hat die Klasse der monolagigen Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) signifikanten Einfluss im Bereich der Photonik gewonnen. Transparenz und mechanische Flexibilität zweidimensionaler (2D) Halbleiter sowie weitere einzigartige TMD-Eigenschaften wie Nichtlinearität und eine immense Spin-Bahn-Aufspaltung versprechen weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere letztere Eigenschaft hat auf dem Gebiet der Spin- und Valleytronik großes Interesse geweckt. Wir demonstrieren die skalierbare Integration von TMD-Monolagen in zwei verschiedenen Arten optischer Bauteile. Im ersten Teil dieser Arbeit zeigen wir eine selektive Erhöhung der Photolumineszenz (PL) von Molybdändisulfid (MoS2) in hybriden, freistehenden, eindimensionalen photonischen Kristallkavitäten. Diese basieren auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Plattform, auf die eine MoS2-Monolage mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgewachsen ist. Die Kavität dieser "leiterartigen" Strukturen ist durch eine gradielle Periodenverkleinerung in der Mitte des Kristalls realisiert. In Mikrophotolumineszenz (µ-PL)-Spektroskopie-Messungen beobachten wir drei deutliche Moden bei einem Großteil der untersuchten Kristalle, die sowohl eine starke transversal-elektrische Polarisation als auch räumliche Einschränkung aufweisen. Durch eine Vergrößerung der Kristallperiode ist es möglich, die Modenwellenlänge auf der gesamten Bandbreite des MoS2-PL-Spektrums durchzustimmen. Bei größeren Perioden p > 280nm beobachten wir sogar eine vierte Mode, die im kurzwelligen Bereich des Emissionsspektrums auftaucht. Fast jede untersuchte Mode weist einen Gütefaktor zwischen 1000 und 4000 auf. Alle Ergebnisse befinden sich in guter Übereinstimmung mit Simulationen, die mithilfe der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) durchgeführt worden sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit verwenden wir die Temperatur als weiteren Kontrollparameter, indem wir das Phasenwechselmaterial Vanadiumdioxid (VO2) einführen, welches in einer Vielzahl von Bauteilen eingesetzt werden kann. VO2 ist ein Feststoff, der bei einer kritischen Temperatur von 68°C von einer isolierenden in eine halbleitende Phase übergeht. Wenn das Material in Form von Nanokristalliten vorliegt, verändert sich diese Temperatur. Zudem hängt sie von der Anfangsphase ab, wodurch eine große temperaturabhänginge Hysterese (50°C) in phasensensitiven Observablen erzeugt wird. Dies trifft zum Beispiel auf den Brechungsindex zu. Wir demonstrieren die temperaturgetriebene Kontrolle des Brechungsindex durch die Manipulation des Fokussierungsvermögens sogenannter Fresnel'scher Zonenplatten (FZP)-Linsen, hergestellt aus Vanadiumdioxid-Nanokristalliten. FZP-Linsen gehören zur Gruppe der "flachen optischen Bauteile" und bestehen aus konzentrischen Ringen bestimmter Breite (den Fresnel-Zonen) und alternierender Opazität. Die Abschirmung destruktiv interferierender Komponenten einer einfallenden ebenen Welle führt zu einem Fokussierungseffekt, der allein auf Beugung beruht. In unseren Experimenten werden FZP-Linsen sowohl durch LEDs außerhalb des Chips beleuchtet als auch durch PL-Emission durch monolagiges MoS2 auf dem Chip. Um temperatursensitive FZP-Linsen herzustellen, deaktivieren wir die VO2-Nanokristallite in jeder zweiten Fresnel'sche Zone, wobei die restlichen Zonen aktiv bleiben. Bei der Beleuchtung im infraroten und roten Wellenlängenbereich beobachten wir deutliche Veränderungen im Fokussierungsverhalten der Linsen bei der kritischen Temperatur, die die präzise Reproduktion einer temperaturabhängigen Hysteresekurve erlauben. Diese Veränderungen im Interferenzmuster finden wir in Übereinstimmung mit FDTD-Simulationen. Außerdem erzielen wir eine PL-Fokussierung des auf dem Chip integrierten MoS2. Obwohl einige Effekte, die bei der Beleuchtung durch integriertes MoS2 auftreten, noch nicht vollständig verstanden sind, ist es uns möglich, temperaturabhängige Kontrastveränderungen zwischen Maxima und Minima zu messen und eine Hysteresekurve zu reproduzieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian Hammer
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-736289
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/73628
Advisor:Hubert J. Krenner
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2020
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2020/03/06
Release Date:2020/05/28
Tag:2D material; molybdenum disulfide monolayer; photonic crystal; Fresnel zoneplate; photoluminescence
GND-Keyword:Übergangsmetalldichalkogenide; Monoschicht; Photonischer Kristall; Fresnel-Zonenplatte; Photolumineszenz
Pagenumber:134
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik / Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht mit Print on Demand