Investigating the electronic and optical properties of atomically thin materials with a scanning tunneling microscope

Autor(es)

Ricardo Javier Peña Román

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
• Data de defesa: 2022-07-05

Membros da banca

Luiz Fernando Zagonel; Daniel Mário Ugarte; Abner de Siervo; Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cançado; Fernando Loureiro Stavale Junior

• Orientador: Luiz Fernando Zagonel

Resumo

Esta tese apresenta um estudo via microscopía de tunelamento com varredura (STM) em materiais atomicamente finos. Estudamos monocamadas exfoliadas de dissulfeto de tungstênio (WSe2) dopado tipo-p depositadas em substratos de filmes finos de ouro, e monocamadas epitaxiais de nitruro de boro hexagonal (h-BN) em grafite. Combinamos medidas de STM e técnicas associadas com caracterizações complementares empregando microscopia de força atômica e espectroscopia óptica, para investigar aspectos como defeitos pontuais, dopagem da amostra, acoplamento amostra-substrato e seu impacto nas propriedades eletrônica e óptica do material. Em primeiro lugar, apresentamos o desenho e a implementação de um novo dispositivo óptico baseado em um espelho parabólico fora do eixo com 72% de eficiência de coleção de luz, para realizar experimentos de luminescência em STM. O dispositivo pode ser usado como acessório óptico de um microscópio STM adaptado que opera em condições de baixa temperatura e em ultra alto vácuo (UHV), sem afetar o desempenho do microscópio. O potencial do dispositivo é demonstrado através da realização de medidas de luminescência em STM e fotoluminescência (PL)/Raman in situ em vários sistemas. Em segundo lugar, reportamos a observação de excitons gerados eletricamente em monocamadas de TMDs sobre substratos metálicos, usando elétrons de tunelamento em um STM. As amostras transferidas de monocamadas WSe2 são opticamente ativas devido a uma camada interfacial de água que desacopla o material do substrato subjacente. O desacoplamento intrínseco amostra-substrato permite excitar a eletroluminescência local da amostra via emissão de luz induzida por STM (STM-LE) em condições normais de temperatura e pressão. A presença da camada de água interfacial se deve à umidade do ar e é uma consequência do método de preparo da amostra. Os espectros STM-LE assemelha-se aos espectros PL, indicando que a luminescência é devido à recombinação de excitons neutros e carregados (tríons). A razão de trion para exciton é controlada com a corrente de tunelamento. Os excitons só podem ser gerados com tensão de tunelamento acima de 2.0 V, ou seja, com elétrons de tunelamento em energias iguais ou acima do band gap eletrônico da monocamada WSe2. Imagens de STM e medidas de espectroscopia de tunelamento de elétrons (STS) em condições de UHV demonstraram a presença de defeitos pontuais intrínsecos e confirmaram a dopagem tipo-p da amostra. O mecanismo de excitação via STM-LE proposto é o tunelamento elástico de elétrons e a injeção direta de portadores na banda de condução do semicondutor. Finalmente, apresentamos a medida do band gap eletrônico e da energia de ligação do éxciton em uma monocamada de h-BN. A interface abrupta, na heteroestrutura de van der Waals de h-BN em grafite permite utilizar medidas de STS a baixa temperaturas para determinar o band gap eletrônico. Demonstramos que monocamadas de h-BN livre de defeitos tem um gap eletrônico de 6,8±0,2 eV e uma energia de ligação de éxciton de 0,7±0,2 eV. Esses valores são cerca de 1 eV mais baixos do que o previsto para uma monocamada isolada (sem substrato). Além disso, identificamos defeitos pontuais por imagens de STM, que possuem níveis eletrônicos intragap em torno de 2,0 eV abaixo do nível de Fermi. Medidas de catodoluminescência em STM (STM-CL) e PL mostram espectros complexos tipicamente associados a estados intragap relacionados a defeitos pontuais de carbono no h-BN (AU)

• Processo FAPESP: 18/08543-7 - Emissão de luz por defeitos em materiais bidimensionais
• Beneficiário: Ricardo Javier Peña Román
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado