Engineering the Optical Properties of Semiconducting Two-Dimensional Materials

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPekola, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorTurunen, Mikko
dc.contributor.departmentElektroniikan ja nanotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Electronics and Nanoengineeringen
dc.contributor.labPhotonicsen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorSun, Zhipei, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.date.accessioned2024-01-06T10:00:15Z
dc.date.available2024-01-06T10:00:15Z
dc.date.defence2024-01-19
dc.date.issued2024
dc.description.abstractOver the last two decades, two-dimensional (2D) materials have emerged as a promising platform for photonic and optoelectronic applications. Especially, transition metal dichalcogenides (TMDs) have gained huge attention due to their exceptional properties, including strong photoluminescence, strong spin–orbit coupling, high optical non-linearity and unique valley physics. Combining these properties with the atomical thickness and tuneable band gap makes TMDs an attractive platform for various applications. Furthermore, TMD-based single photon emitters (SPEs) are of special significance for quantum photonic technologies. However, addressing the coherence limitations of the SPEs in TMDs has remained elusive, necessitating a deeper understanding of them. This doctoral thesis explores methods to engineer the optical properties of 2D TMDs using optical modification and atomic layer deposition (ALD). The optical modification involves femtosecond pulsed light illumination of monolayer TMDs in an inert environment, resulting in altered physical and optical properties. ALD of TiO2 on 2D TMDs induces intensity reduction and spectral shifts in their photoluminescence (PL) and Raman responses, and increased exciton state lifetimes. The effects arise from chemical interactions, dielectric screening, and mechanical strain. Notably, the chemical effects, such as doping and oxidation, could be significantly mitigated by depositing a protective hBN layer on top of TMDs. The results presented here shed light on the physical properties of 2D TMDs and their potential for diverse applications (e.g., single photon emission). This thesis contributes essential knowledge to the rapidly developing field of 2D materials and quantum photonic research, serving as a foundation for future investigations and advancements.en
dc.description.abstractKahden vuosikymmenen aikana kaksiulotteiset (2D) materiaalit ovat osoittautuneet lupaavaksi alustaksi fotoniikan sovelluksille. Huomiota ovat etenkin herättäneet siirtymämetallidikalkogeenit (TMD), jotka tarjoavat erityisiä fyysisiä ominaisuuksia, joita ovat esimerkiksi kirkas fotoluminesenssi, vahva spin–rata-kytkentä, korkea optinen epälineaarisuus ja ainutlaatuinen laaksofysiikka. Nämä ominaisuudet yhdessä alle nanometrin paksuuden ja muokattavan energiavälin kanssa tekevät TMD:istä erittäin houkuttelevia fotoniikan ja optoelektroniikan sovelluksiin. Lisäksi se, että TMD:t voivat sisältää yksifotonilähteitä, tekee niistä mielenkiintoisen alustan kvanttifotoniikan sovelluksiin. Tosin TMD:iden yksifotonilähteet eivät vielä täytä erottamattomien fotonien koherenssivaatimuksia, minkä vuoksi lisää tutkimustyötä tarvitaan. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tapoja muokata 2D-TMD:iden optisia ominaisuuksia optisen muokkauksen ja atomikerroskasvatuksen (ALD) avulla. Optinen muokkaus, jota tässä väitöskirjassa käytetään, perustuu femtosekunnin mittaisten laserpulssien ohjaamiseen 2D-näytteelle reagoimattomassa ympäristössä. Tuloksista huomataan, että kyseisen muokkausmenetelmän avulla voidaan paikallisesti muuttaa materiaalin fyysisiä ja optisia ominaisuuksia. Muutoksia 2D-TMD:iden optisissa ominaisuuksissa nähdään myös, kun kasvatetaan TiO2:a ALD:llä TMD-näytteiden päälle. Huomataan, että ALD vähentää materiaalin fotoluminesenssin voimakkuutta, muuttaa aallonpituutta ja kasvattaa aikavakiota. Lisäksi ALD:n todetaan vaikuttavan vahvasti TMD:iden Raman-sirontaan. Näiden vaikutusten todetaan johtuvan ALD:n tuomista kemiallisista vuorovaikutuksista, dielektrisestä seulonnasta ja mekaanisesta jännityksestä. Lisäksi havaitaan, miten ALD:n kemiallisia vaikutuksia voidaan vähentää kapseloimalla TMD-näyte hBN:llä. Esitetyt tulokset selventävät 2D-TMD:iden fyysisiä ominaisuuksia ja niiden käytettävyyttä erilaisissa sovelluksissa kuten yksifotonilähteissä. Lisäksi tulokset tuovat lisää tietoa nopeasti kasvavalle 2D-materiaalien ja kvanttifotoniikan tutkimusalalle ja voivat toimia hyvänä lähtökohtana tulevalle kehitys- ja tutkimustyölle.fi
dc.format.extent63 + app. 43
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-1618-2 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-1617-5 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/125622
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-1618-2
dc.language.isoenen
dc.opnPolimeni, Antonio, Prof., Sapienza University of Rome, Italy
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Turunen, Mikko; Brotons-Gisbert, Mauro; Dai, Yunyun; Wang, Yadong; Scerri, Eleanor; Bonato, Cristian; Jöns, Klaus; Sun, Zhipei; and Gerardot, Brian. Quantum photonics with layered 2D materials. Nature Reviews Physics 4, 219–236 (2022). Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202021643. DOI:10.1038/s42254-021-00408-0
dc.relation.haspart[Publication 2]: Turunen, Mikko; Hulkko, Eero; Mentel, Kamila; Bai, Xueyin; Akkanen, Suvi-Tuuli; Amini, Mohammad; Li, Shisheng; Lipsanen, Harri; Pettersson, Mika; and Sun, Zhipei. Deterministic modification of CVD grown monolayer MoS2 with optical pulses. Advanced Materials Interfaces 8, 2002119 (2021). Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103312725. DOI: 10.1002/admi.202002119
dc.relation.haspart[Publication 3]: Turunen, Mikko; Fernandez, Henry; Akkanen, Suvi-Tuuli; Seppänen, Heli; and Sun, Zhipei. Effects of atomic layer deposition on the optical properties of transition metal dichalcogenide monolayers. 2D Materials 10, 045018 (2023). Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308305343. DOI: 10.1088/2053-1583/acf1ad
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries5/2024
dc.revGao, Weibo, Prof., Nanyang Technological University, Singapore
dc.revConesa-Boj, Sonia, Prof., Delft University of Technology, The Netherlands
dc.subject.keywordtwo-dimensional materialsen
dc.subject.keywordtransition metal dichalcogenidesen
dc.subject.keywordoptical modificationen
dc.subject.keywordatomic layer depositionen
dc.subject.keywordkaksiulotteiset materiaalitfi
dc.subject.keywordsiirtymämetallidikalkogeenitfi
dc.subject.keywordoptinen muokkausfi
dc.subject.keywordatomikerroskasvatusfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleEngineering the Optical Properties of Semiconducting Two-Dimensional Materialsen
dc.titlePuolijohteisten kaksiulotteisten materiaalien optisten ominaisuuksien muokkaaminenfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2024-01-19_1320
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2024_01_05_klo_12_06
local.aalto.infraOtaNano
local.aalto.infraOtaNano - Aalto Nanofab/Micronova
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526416182.pdf
Size:
56.04 MB
Format:
Adobe Portable Document Format