Optical modification of 2D materials

Thumbnail Image

Files

isbn9789526427225.pdf (40.2 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-10-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025

Department

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

89 + app. 55

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 176/2025

Abstract

Two-dimensional layered materials, characterized by their atomic thickness and diverse properties, are a promising material platform for advancing many technological fields, including physics, quantum technologies and medicine. In the past twenty years, the family of two-dimensional materials has expanded and nowadays encompasses thousands of materials that range from insulators to conductors, with physical properties for applications across the range. However, their industrial scale applications still face issues, mainly stemming from the difficulty of obtaining cost-effective and fast large-scale fabrication methods. Optical modification methods are processes that utilize the energy of light to drive fabrication and property modification processes, such as doping and patterning. They provide a great alternative to conventional fabrication methods as they are sustainable, fast, cheap, and can provide highly localized modification without the use of masks. This thesis focuses on advancing the field of optical modification by exploring optical defect engineering of both monolayer and multilayer heterostructure transition metal dichalcogenides. Femtosecond laser irradiation is found to enhance the nonlinear optical responses of transition metal dichalcogenide flakes by resonances with defect states while also creating three-dimensional structures in the flake. On the other hand, continuous wave irradiation of transition metal dichalcogenide heterostructures is found to simultaneously modify both constituent materials at different rates, leading to enhanced photoluminescence and drastic changes in electrical properties. These findings not only deepen our understanding of the interaction between light and two-dimensional materials but also highlight the untapped potential of optical modification methods. By applying the results in practical applications, this work further establishes optical modification methods as a true alternative for scalable and sustainable technologies that harness the unique properties of two-dimensional materials for next-generation innovations.

Kaksiulotteiset materiaalit, joille on ominaista niiden atominen ohuus ja monipuoliset ominaisuudet, ovat lupaava alusta monien teknologian alojen, kuten epälineaarisen optiikan ja nanolääketieteen kehittämiseen. Viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana 2D materiaalien skaala on vain kasvanut ja nykyään niitä on jopa tuhansia erilaisia, aina eristeistä johtimiin. Näiden lupaavien materiaalien laaja-alainen soveltaminen on kuitenkin tähän asti ollut vaikeaa, sillä niiden korkeatasoinen ja kustannustehokas valmistaminen ja muokkaus on edelleen hankalaa teollisessa mittaskaalassa. Tätä ongelmaa voidaan yrittää helpottaa käyttämällä optisia muokkausmenetelmiä, jotka hyödyntävät valon energiaa ajamaan erilaisia valmistus ja muokkausprosesseja, kuten kasvatusta ja kuviointia. Optiset kuviointimenetelmät ovat lisäksi myös ympäristöystävällisiä, nopeita, maskittomia, ja hyvinkin lokaaleja. Tämä väitöskirja pyrkii kehittämään optisen muokkauksen tiedealaa edistämällä optisesti aiheutettujen hilavirheiden tekniikkaa sekä yksittäisissä että heterorakenteisissa siirtymämetalli dikalkogeeni näytteissä. Väitöskirjassa havaitaan femtosekunti laser kuvioinnin aiheuttavan tehokkaamman epälineaarisen optisen vasteen siirtymämetalli dikalkogeeneissa, johtuen resonanssista kuvioinnin aiheuttamien hilavirhetilojen kanssa. Jatkuva-aaltoisella laserilla kuvioidussa heterorakenteessa sen sijaan havaitaan kerroksissa yksilöllisiä muutoksia, jotka johtavat vahvempaan fotoluminesenssiin ja merkittäviin sähköisiin muutoksiin. Nämä tulokset syventävät ymmärrystä valon ja kaksiulotteisten materiaalien välisistä vuorovaikutuksista, samalla alleviivaten optisten muokkausmetodien potentiaalia. Niiden soveltaminen käytännön käyttökohteissa entisestään vahvistaa optisia metodeja vaihtoehtoina kaksiulotteisten materiaalien muokkaamisessa tulevaisuuden sovelluksia silmälläpitäen.

Description

Supervising professor

Lipsanen, Harri, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Thesis advisor

Sun, Zhipei, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Keywords

two-dimensional materials, optical modification, kaksiulotteiset materiaalit, optinen muokkaus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Suvi-Tuuli Akkanen, Henry Fernandez, Zhipei Sun. Optical Modification of 2D Materials: Methods and Applications. Advanced Materials, 34, 2110152, (2022).
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202203282654
    DOI: 10.1002/adma.202110152 View at publisher
  • [Publication 2]: Suvi-Tuuli Akkanen, Juan Arias-Muñoz, Aleksei Emelianov, Kamila Mentel, Juhani Tammela, Mikko Partanen, Susobhan Das, Ahmed Faisal, Mika Pettersson, Zhipei Sun. Enhanced Nonlinear Optical Responses in MoS2 via Femtosecond Laser Induced Defect-Engineering. Advanced Functional Materials, 46, 2406942, (2024).
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410306972
    DOI: 10.1002/adfm.202406942 View at publisher
  • [Publication 3]: Suvi-Tuuli Varjamo, Christopher Edwards, Ruihuan Fang, Yaoqiang Zhou, Seyed Hossein Hosseini Shokouh, Zhipei Sun. Optical Modification of TMD Heterostructures. Nano Letters, 25, 4379-4385, (2025).
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202504023088
    DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c06512 View at publisher
  • [Publication 4]: Mikko Turunen, Eero Hulkko, Kamila Mentel, Xueyin Bai, Suvi-Tuuli Akkanen, Mohammad Amini, Shisheng Li, Harri Lipsanen, Mika Pettersson, Zhipei Sun. Deterministic Modification of CVD Grown Monolayer MoS2 with Optical Pulses. Advanced Materials Interfaces, 10, 2002119, (2021).
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103312725
    DOI: 10.1002/admi.202002119 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2722-5

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC