Single-photon emission from strained two-dimensional transition metal dichalcogenides

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-05-14
Department
Major/Subject
Advanced Materials and Photonics
Mcode
ELEC3035
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
63
Series
Abstract
The emergence of quantum photonics has ignited a large amount of interest in singlephoton sources (SPS). These sources are required in many quantum technology applications, such as various quantum computing protocols and quantum key distribution (QKD). Recently, SPSs have been realized in two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDC). The characteristic crystal structure of these materials enables unique electronic and optical properties, which are beneficial in SPS applications. However, the SPSs in these materials are usually randomly located as they originate from crystalline defects, which complicates further investigation. Nevertheless, it has been recently discovered that by applying strain, one can induce SPSs in these materials, which allows spatial localization of the sources. This thesis demonstrates the possibility of achieving single-photon emission of strained 2D TMDCs. In order to create SPSs, mechanically exfoliated tungsten diselenide (WSe2) and molybdenum ditelluride (MoTe2) samples were transferred on top of the array causing them to be strained at the pillar locations. The samples were then characterized by measuring their photoluminescence (PL) spectra and time-resolved PL decay at low temperature. The results indicate that single-photon emission was acquired from the WSe2 sample around the pillar area. However, no such emission was noticed with the MoTe2 sample. This might be due to its relatively large thickness. Additionally, the sample might have reacted with oxygen and water in the air, due to its instability. Both of these factors reduce the PL yield of the material, and thus further experiments are required to fully confirm the possibility of obtaining single-photon emission from MoTe2. The results for the WSe2 sample show that it is possible to fabricate spatially localized SPSs by applying strain. This allows a more extensive further investigation involving concepts such as spin–valley coupling and integrated quantum photonics.

Kvanttifotoniikan kasvu tutkimusalana on laajasti lisännyt yksifotonilähteiden (SPS) tutkimusta. Näitä lähteitä tarvitaan monissa kvanttitekniikan sovelluksissa, kuten eräissä kvanttilaskennan protokollissa ja kvanttisalauksessa (QKD). Hiljattain SPS:iä on löydetty kaksiulotteisista (2D) transitiometalli dikalgoneeneistä (TMDC), joiden erityiset elektroniset ja optiset ominaisuudet ovat hyödyllisiä SPS-sovellutuksissa. Tosin siksi, että SPS:t näissä materiaaleissa perustuvat yleensä hilavirheisiin, ne ovat sijoittuneet satunnaisesti, mikä vaikeuttaa niiden tutkimusta ja käyttöä. On kuitenkin todettu, että SPS:iä voidaan luoda näissä materiaaleissa mekaanisen jännityksen avulla. Tässä diplomityössä määritetään mahdollisuutta saada yksifotoniemissiota jännitetyistä 2D TMDC:istä. Mekaanisesti exfolioidut volframi diselenidi (WSe2) ja molybdeeni ditelluridi (MoTe2) näytteet siirrettiin nanopilareiden päälle, mikä luo lokalisoituneita jännitepisteitä näytteissä. Materiaalit karakterisoitiin mittaamalla niiden fotoluminesenssispektri (PL) ja aikaerotteinen PL:n vaimeneminen. Mittaustulokset viittaavat siihen, että yksifotoniemissiota saatiin WSe2 näytteestä pilarin läheisyydessä. MoTe2 näytteestä ei kuitenkaan SPS:iä löytynyt. Syynä tähän saattaa olla se, että näyte koostui useammasta atomikerroksesta. Se on myös saattanut reagoida ilmassa olevien aineiden kanssa epävakaisuutensa vuoksi. Molemmat heikentävät MoTe2:n PL:ää, joten lisätutkimuksia tarvitaan materiaalin yksifotoniemission toteamiseksi. Tuloksista voidaan kuitenkin todeta, että SPS:iä pystytään paikallisesti luomaan 2D WSe2 materiaalissa, mikä helpottaa niiden jatkotutkimusta.
Description
Supervisor
Sun, Zhipei
Thesis advisor
Sun, Zhipei
Keywords
single-photon emission, transition metal dichalcogenide, tungsten diselenide, molybdenum ditelluride, nanopillar
Other note
Citation