Lifetimes of free valley states in monolayers of WSe$_2$, MoSe$_2$ and their heterostructures

Ersfeld, Manfred; Stampfer, Christoph; Schäpers, Thomas

doi:42065

Lifetimes of free valley states in monolayers of WSe$_2$, MoSe$_2$ and their heterostructures

Ersfeld, Manfred^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manfred Ersfeld, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stampfer, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-02209
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/952749/files/952749.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kerr (frei) ; TMD (frei) ; heterostructures (frei) ; valleytronics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente an Übergangsmetall- Dichalcogeniden (TMD) konnten das physikalische Verständnis der Entstehung und Dynamik von Spin- und Valleypolarisationen deutlich verbessern. Durch gepulste optische Anregung von Monoschichten aus WSe$_2$ und MoSe$_2$ sowie deren Heterostrukturen wurde die zeitliche Entwicklung einer optisch induzierten Spin- und Valleypolarisation mit Hilfe des zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr-Effekts untersucht. Die relevanten physikalischen Prozesse für die valleyselektive optische Anregung von freien valleypolaristierten Ladungsträgern sowohl im Valenz- als auch im Leitungsband konnten in den verschiedenen Materialien eindeutig nachgewiesen werden. Während in Monolagen von WSe$_2$ freie valleypolarisierte Ladungsträger nach optischer Anregung von Trionen über deren Streuung in dunkle Trionen angeregt werden können, ist dieser Anregungsprozess in MoSe$_2$ nicht möglich. Dies liegt an der speziellen Bandstruktur von MoSe$_2$, die aufgrund der Spin-Orbit-Wechselwirkung keine Streuung über dunkle Trionen zulässt. Durch das Stapeln von WSe$_2$ und MoSe$_2$ zu einer van-der-Waals-Heterostruktur wurde jedoch ein Mechanismus für die Polarisation von freien valleypolaristirten Ladungsträgern in MoSe$_2$ gefunden. Die elektronische Kopplung der beiden TMD-Monoschichten wurde untersucht, indem sie absichtlich gegeneinander verdreht wurden. Bei Proben mit einem großen Verdrehungswinkel führen unterschiedliche Streuraten der valleyselektiv erzeugten Elektronen und Löcher zwischen den beiden TMDs zu vallypolarisierten freien Bandzuständen in MoSe$_2$, nach Rekombination der optisch angeregten Elektron-Loch-Paare, aufgrund ihrer Typ-I-Bandausrichtung. Durch die Variation des quasi-chemischen Potentials durch eine Gate Spannung konnte die Valleydynamik der freien Bandzustände in WSe$_2$ untersucht werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Gate-abhängige Verschiebung des quasi-chemischen Potentials in das Leitungs- oder Valenzband von WSe$_2$ zu einem Anstieg der optisch erzeugten Valleypolarisation führt und eine gleichzeigte Abnahme der Lebensdauer als Marker für das Erreichen der freien Valleyzustände gesehen werden kann. Die Polarisation der freien Ladungsträger erfolgt, in diesem Zusammenhang durch einen Streuprozess von hellen Trionen in dunkle Trionen und deren anschließender Rekombination. Durch die Kombination von WSe$_2$ und MoSe$_2$ in eine verdrehte Heterostruktur zeigt sich bei großen Drehwinkeln, dass ein Interlayer-Transfer von langlebigen Valleyzuständen von der WSe$_2$- zur MoSe$_2$-Schicht stattfindet, wohingegen es bei kleinen Verdrehungswinkeln zu einem schnellen Verlust der Valleypolarisation kommt. Dies lässt sich durch eine starke Wechselwirkung der valleypolarisierten Ladungsträger im K/K'-Valley mit dem energetisch benachbarten $\Gamma$-Valley erklären. Bei Heterostrukturen mit einem großen Verdrehungswinkel vergrößert sich der energetische Abstand zwischen dem K/K'-Valley und dem $\Gamma$-Valley, was zu einer starken Erhöhung der valley-Lebensdauer führt. Die Ergebnisse deuten auf eine Typ-I-Bandausrichtung hin, welche so noch nicht in der Literatur beschrieben worden ist.

The experiments performed on transition metal dichalcogenides (TMDs) in this work significantly improved the physical understanding of the origin and dynamics of spin and valley polarisation. Pulsed optical excitation of monolayers of WSe$_2$ and MoSe$_2$ and their heterostructures was used to investigate the time evolution of an optically induced spin and valley polarisation using the time-resolved magneto-optical Kerr effect. The relevant physical processes for the valley-selective optical excitation of free valley charge carriers in both the valence and conduction bands were clearly demonstrated in the different materials. While in monolayers of WSe$_2$ free valley charge carriers can be excited after optical excitation of trions via their scattering into dark trions, this excitation process is not possible in MoSe$_2$. This is due to the special band structure of MoSe$_2$, which does not allow scattering via dark trions due to spin-orbit interaction. However, by stacking WSe$_2$ and MoSe$_2$ into a van der Waals heterostructure, a mechanism for polarisation of free valley charge carriers in MoSe$_2$ was found. The electronic coupling of the two TMD monolayers was investigated by intentionally twisting them against each other.For samples with a large twist angle, different scattering rates of the valley-selectively generated electrons and holes between the two TMDs lead to valley-polarised free band states in MoSe$_2$, after recombination of the optically excited electron-hole pairs, due to their type-I band alignment.By varying the quasi-chemical potential by a gate voltage, the valley dynamics of the free band states in WSe$_2$ could be investigated. It was shown that the gate-dependent shift of the quasi-chemical potential into the conduction or valence band of WSe$_2$ leads to an increase of the optically generated valley polarisation and a concomitant decrease of the lifetime can be seen as a marker for reaching the free valley states. The polarisation of the free charge carriers occurs, in this context by a scattering process of bright trions into dark trions and their subsequent recombination. By combining WSe$_2$ and MoSe$_2$ into a twisted heterostructure, it is found that at large twist angles there is an interlayer transfer of long-lived valley states from the WSe$_2$ to the MoSe$_2$ layer, whereas at small twist angles there is a rapid loss of valley polarisation. This can be explained by a strong interaction of the valley-polarised charge carriers in the K/K' valley with the energetically neighbouring $\Gamma$ valley. For heterostructures with a large twist angle, the energetic distance between the K/K' valley and the $\Gamma$ valley increases, leading to a strong increase in valley lifetime. The results indicate a type I band alignment, which has not yet been described in this way in the literature.

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