Exciton engineering for quantum confinement in an electrostatically defined PN-junction

Abstract

(English) We investigate the physics of quantum-confined excitons in an electrostatically defined PN junction. Such a PN junction can be generated in an encapsulated monolayer MoSe2 along the patterned edge of a top-gate electrode. Applying a voltage gradient between the top and bottom gates results in the formation of an in-plane electric-field gradient in the depletion region and strong doping gradients in the P- and N-doped regions of the PN junction. The exciton experiences an attractive force within the electric field gradient and repulsion from exciton-charge carrier interactions. The combined effects are sufficiently strong to quantize the number of available excitonic states within the potential. We show measurements of these quantum-confined excitons in reflection contrast and photoluminescence spectroscopy. We demonstrate how the confinement potential results in fine structure splitting with linearly polarized excitonic states that are aligned either along or perpendicular to the top gate edge. The states can be gradually tuned between linear and circular polarization using an out-of-plane magnetic field. Our particular sample geometry, where the formation of the PN junction electrically isolates the sample from ground, allows us to investigate the electrostatic model of a photo-biased PN junction, with the bias voltage as an additional tuning parameter of the confinement potential. The bias voltage is modified by the measurement itself and varies with the location of the measurement. We demonstrate how the combined impact of exciton dissociation and Auger-assisted hot-hole tunneling modifies the bias voltage over a timescale up to $\qty{100}{\s}$. The bias voltage can be further controlled using a second laser, which enables the tuning of the energy of the quantized states over the range of $\qty{15}{\meV}$. Ultimately, these findings allow us to simulate the exact shape of the confinement potential and to investigate how the in-plane electric field modifies the internal exciton structure, impacting the exciton oscillator strength, lifetime, and dissociation. The results of this thesis illustrate the possibilities to pattern tailored exciton potential shapes for photonic and quantum technologies.

(Català) En aquesta tesi investiguem la física dels excitons confinats a nivell quàntic en una unió PN definida electrostàticament. Aquesta unió PN es pot generar en una monocapa encapsulada de MoSe2 al llarg de la vora de la porta superior d’un elèctrode que mostra un patró. L'aplicació d'un gradient de tensió entre les portes superior i inferior dóna lloc a la formació d'un gradient de camp elèctric al pla a la regió d'esgotament i forts gradients de dopatge a les regions dopades P i N de la unió PN. L'excitó experimenta una força atractiva dins del gradient del camp elèctric i la repulsió de les interaccions amb els portadors de càrrega. Els efectes combinats són prou forts per quantificar el nombre d'estats excitònics disponibles dins del potencial. En aquest treball mostrem mesures d'aquests excitons confinats al nivell quàntic en espectroscòpia de contrast de reflexió i de fotoluminescència. A més, demostrem com el confinament quàntic dona lloc a la divisió de l'estructura fina amb estats polaritzats linealment al llarg o perpendiculars a la vora de la porta superior. Els estats es poden ajustar gradualment entre la polarització lineal i circular mitjançant un camp magnètic fora del pla. La particularitat de la geometria de la nostra mostra, on la formació de la unió PN aïlla elèctricament la mostra de terra, ens permet investigar el model electroestàtic d'una unió PN foto-polaritzada, amb la tensió de polarització com a paràmetre d'ajust addicional del potencial de confinament. La tensió de polarització es modificat per la pròpia mesura i varia amb la ubicació de la mesura. Així demostrem com l'impacte combinat de la dissociació de l'excitó i el túnel de forat calent assistit per Auger modifica la tensió de polarització en una escala de temps de fins a $\qty{100}{\s}$. La tensió de polarització es pot controlar encara més mitjançant un segon làser, que permet ajustar l'energia dels estats quantificats en el rang de $\qty{15}{\meV}$. En última instància, aquestes troballes ens permeten simular la forma exacta del potencial de confinament i investigar com el camp elèctric en el pla modifica l'estructura interna de l'excitó, afectant la força, el temps de vida i la dissociació de l'excitó. Els resultats d'aquesta tesi il·lustren les possibilitats de dissenyar patrons personalitzats de potencials d'excitons per a tecnologies fotòniques i quàntiques.

(Español) En esta tesis investigamos la física de los excitones confinados cuánticamente en una unión PN definida electrostáticamente. Tal unión PN puede generarse en una monocapa encapsulada de MoSe2 a lo largo del borde del electrodo de puerta superior que muestra un patrón. Al aplicar un gradiente de voltaje entre las puertas superior e inferior, se forma un gradiente de campo eléctrico en el plano dentro de la región de agotamiento y fuertes gradientes de dopaje en las regiones dopadas P y N de la unión PN. El excitón experimenta una fuerza atractiva dentro del gradiente de campo eléctrico y repulsión por las interacciones excitón-portador de carga. Los efectos combinados son lo suficientemente fuertes como para cuantizar el número de estados excitónicos disponibles dentro del potencial. En este trabajo mostramos mediciones de estos excitones confinados cuánticamente en espectroscopía de contraste de reflexión y de fotoluminiscencia. Además, mostramos cómo el potencial de confinamiento resulta en la división de la estructura fina con estados excitónicos linealmente polarizados que están alineados o a lo largo o perpendiculares al borde de la puerta superior. Los estados pueden sintonizarse gradualmente entre polarización lineal y circular utilizando un campo magnético fuera del plano. La geometría particular de la muestra, donde la formación de la unión PN aísla eléctricamente la muestra de la tierra, nos permite investigar el modelo electrostático de una unión PN foto-polarizada, con el voltaje de polarización como un parámetro adicional de sintonización del potencial de confinamiento. El voltaje de polarización es modificado por la propia medición y varía con la ubicación de la medición. Así demostramos cómo el impacto combinado de la disociación del excitón y el túnel de agujeros calientes asistido por Auger modifica el voltaje de polarización en un intervalo de tiempo de hasta $\qty{100}{\s}$. El voltaje de polarización puede controlarse aún más utilizando un segundo láser, lo que permite la sintonización de la energía de los estados cuantizados en un rango de $\qty{15}{\meV}$. En última instancia, estos hallazgos nos permiten simular la forma exacta del potencial de confinamiento e investigar cómo el campo eléctrico en el plano modifica la estructura interna del excitón, afectando la fuerza osciladora del excitón, su tiempo de vida y disociación. Los resultados de esta tesis ilustran las posibilidades de diseñar patrones personalizados del potencial excitónico para tecnologías fotónicas y cuánticas.