Photophysics of interlayer excitons in TMDC heterobilayers

2004 yılında grafenin (tek katmanlı grafit tabakasının) ilk kez izole edilmesinden ve takip eden yıllarda elde edilen kayda değer keşiflerden bu yana, iki boyutlu (2D) malzemelere ve heteroyapılarına yönelik çalışmalara olan ilgi devamlı olarak artmıştır. Yeni 2D malzemelerin süregelen keşifleriyle birlikte bilinen malzeme özelliklerinin yelpazesi de önemli ölçüde genişlemiş, çeşitli uygulamalara yönelik hem teorik hem deneysel araştırma alanlarına dahil edilmelerine yol açmıştır. Birçoğu katmanlı van der Waals (vdW) malzemeleri sınıfına girmekte ve transfer tekniklerinde olan çeşitli gelişmeler ile vdW heteroyapılarının oluşturulabilmesinin önünün açılmasıyla birlikte kuantum teknolojilerinde ilerleme kaydedilmesi için heyecan verici olanaklar oluşmuştur. Bileşen katmanların benzersiz özellikleri, 2D malzemelerin yüksek taşıyıcı hareketliliği karakteristiği ile birlikte, çeşitli uygulamalar için çarpıcı özelliklere sahip cihazların geliştirilmesi açısından kapsamlı imkanlar sunmaktadır. Yarıiletken geçiş metali dikalkojenitlere (TMDC'lere) olan ilgi, atomik katman kalınlıklarında (yani tek katmanlarda) doğrudan bant aralıkları sergiledikleri ve olağanüstü optik, mekanik ve elektriksel özelliklere sahip oldukları için diğer 2D malzemelere göre önemli ölçüde artmıştır. Katman arası eksitonların emisyon özellikleri, bileşen katmanlar arasındaki açı ile kontrol edilebilir ve periyodik kuantum nokta benzeri Moiré potansiyellerine hapsolmaları sonucunda tek foton kuantum yayıcılarından oluşan bir süperörgü elde edilebilir. Bu tez çalışmasının ana odak noktası, kuantum uygulamalarının geliştirilmesi için sahip oldukları önem ve kapasitelerin kavranmasını sağlamak adına hBN ile kapsüllenmiş WSe2-MoSe2 heteroyapılarının katmanlar arası eksitonlarının fotofiziğini araştırmak ve anlamaktır. Bu çalışmada kullanılan heteroyapı numuneleri, önce 2D malzemelerin mikromekanik eksfoliyasyon yöntemi kullanılarak izole edilmesi ve ardından kuru transfer tekniği ile dikey olarak istiflenmesi ile üretilmiştir. Hazırlanan heteroyapıların katmanlar arası eksitonları üzerinde manyeto-PL, uyarma gücüne bağlı-PL, sıcaklığa bağlı-PL ve zamana bağlı-PL (TRPL) dahil olmak üzere çeşitli düşük sıcaklık optik spektroskopi yöntemleri kullanılmıştır. Son olarak, ev yapımı bir serbest-uzay Michelson interferometresi kullanılarak zaman düzleminde birinci dereceden korelasyon g(1)(τ) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Katmanlar arası eksitonların Moiré yapılarında hapsolmasının etkilerine ilişkin sonuçlarımız, hapsolan yayıcıların sahip olduğu güçlü korunmanın uzun süreli faz bozunum sürelerine (T2 ∼ 730 fs) yol açabileceğini göstermektedir. Çarpıcı bir şekilde, hBN ile kapsüllenmiş WSe2-MoSe2 heteroyapılarının katmanlar arası eksitonlarının iki spin hali (spin-tekli ve spin-üçlü) üzerinde uyguladığımız kuantum vuru interferometresi ölçümlerimiz, bu spinler arasında zaman düzleminde T2 ∼ 400 fs kadar sürebilen faz bozunum süreleriyle eşevreli kuplajın oluştuğunu da ilk kez göstermiştir. Katmanlar arası eksitonların faz bozunum özelliklerine ilişkin sonuçlarımız, kuantum fotonik ve vaditronik uygulamalarda eksiton tabanlı cihazların geliştirilmesinin geleceğine yönelik önemli katkılar sağlayabilir.