Excitation Energy Transfer in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides Based Nanohybrid Systems

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht den Anregungsenergie-Transfer in Nano-hybrid-Systemen, welche zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkonid-Schichten (TMDCs) enthalten. Heterostrukturen, welche TMDC-Schichten mit sogenannten nulldimensionalen Systemen kombinieren, werden als wesentlich für die nächste Generation von elektronischen und photonischen Bauelementen angesehen. Trotz dieser großen Bedeutung existieren wenige theoretische Untersuchungen. Insbesondere ist der Anregungsenergie-Transfer in diesen Hybridsystemen nicht umfassend erklärt, und die Behandlung von TMDC-Schichten bezieht sich auf sehr kleine oder periodische Systeme. Daher wird in der Arbeit der Versuch unternommen, existierende Theorien zu verbessern, und es werden Transferprozesse in zwei Typen von Heterostrukturen simuliert. Die berechneten Systeme enthalten tausende von Atomen und kommen damit in den Bereich experimentell untersuchter Strukturen. In dem einen Nanohybrid-System ist eine MoS2-Monoschicht mit einem einzelnen Para-Sexiphenyl-Molekül kombiniert, wogegen im zweiten System ein CdSe-Nanokristall an der MoS2-Mono-schicht plaziert ist. Dabei ermöglicht die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Monoschicht und Molekül bzw. Nanokristall den Anregungsenergie-Transfer. In allen untersuchten Heterostrukturen ist die Stärke der Anregungsenergie-Transfer-Kopplung auf den sub-meV-Bereich beschränkt. In diesem Bereich ist der Anregungsenergie-Transfer inkohärent und bestimmt durch Raten, die aus Fermi's Goldener Regel folgen. Auch wird eine Abhängigkeit der Transferrate von der relativen Position des para-Sexiphenyl-Moleküls gefunden. Durch die Analyse der Übergangsladungsdichte des CdSe-Nanokristalls kann aufgezeigt werden, dass die energetisch tiefliegenden Exziton-Niveaus mit ausgeprägtem Dipolcharakter zu einer stärkeren Transferkopplung führen. Die resultierenden Transferzeiten erstrecken sich vom Piko- zum Nanosekunden-Bereich und decken sich mit entsprechend gemessenen Werten.

This thesis explores the excitation energy transfer in two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) based nanohybrid systems. Such heterostructures combining TMDC layers with zero-dimensional materials are considered in next-generation electronics and photonics. However, there exists a shortage of current theoretical work, because the general process of excitation energy transfer in these hybrid systems has rarely been explored and the treatment of TMDCs is limited to a small size. We therefore improve the existing theories and investigate the transfer phenomena in two types of heterostructures. The considered systems contain thousands of atoms close to the experimental system size. In the first nanohybrid system, a MoS2 monolayer is combined with a single para-sexiphenyl molecule. In the second hybrid, a CdSe semiconductor spherical nanocrystal is placed close to the MoS2 monolayer. The MoS2 monolayer is coupled to the para-sexiphenyl molecule or the CdSe spherical nanocrystal via Coulomb interaction, which makes the excitation energy transfer mechanism possible. In our heterostructures, all excitation energy transfer coupling strengths lie in the meV-range or below. Within this limitation, the non-coherent excitation transfer is determined by rate expressions derived from Fermi’s Golden Rule. An effective transfer rate dependency on the relative positions of the para-sexiphenyl molecule is found. For the case of the CdSe spherical nanocrystal , by visualizing the shape of transition charge densities of CdSe excitons, we find that the low-lying exciton levels with more obvious dipole character lead to a stronger transfer coupling. The resultant transfer times range from picoseconds to nanoseconds and coincide with experimental data.