Fano rezonance ve 2D polovodičích

• Thesis title in Czech: Fano rezonance ve 2D polovodičích
• Thesis title in English: Fano resonance in 2D semiconductors
• Key words: Van der Waalsovy heterostruktury|monovrstvy|dichalkogenidy přechodných kovů|Rytova-Keldyshův potenciál|dielektrický screening|spektrum dvojrozměrných excitonů|optická susceptibilita|interakce hmoty se světlem|Fano rezonance
• English key words: Van der Waals heterostructures|monolayers|transition metal dichalcogenides|Rytova-Keldysh potential|dielectric screening|a spectrum of two-dimensional excitons|optical susceptibility|light-matter interaction|Fano resonance
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Department: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Supervisor: Artur Slobodeniuk, Ph.D.

Guidelines

Pro úspěšné studium je třeba znát a) základní elektrostatiku pro odvození potenciální energie mezi dvěma náboji v heterostruktuře; b) základní znalosti z kvantové mechaniky, konkrétně výpočet spektra atomu vodíku a variačního principu;
c) Základní znalosti z kvantově-mechanické teorie lineární odezvy. Pro výše uvedené studium bude dobrá i znalost numerických metod.

Výzkum práce bude založen na výpočtu elektrostatického potenciálu mezi dvěma náboji v dvourozměrné heterostruktuře. Dalším krokem bude výpočet vazebných energií různých typů excitonů v uvažovaných heterostrukturách. Získané spektrum a kvantové stavy excitonů budou použity pro výpočet optické susceptibility 2D krystalu. Získaná susceptibilita bude použita pro odvození optického absorpčního spektra.

References

[1] Screened potential of a point charge in a thin film, N.S.Rytova, Proc.MSU, Phys.Astron.3, 308 (1967); https://arxiv.org/abs/1806.00976v2;

[2] Dielectric screening in two-dimensional insulators: Implications for excitonic and impurity states in graphane, P.Cudazzo, I.V.Tokatly, and A.Rubio, Phys. Rev.B 84, 085406 (2011); https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.84.085406; https://arxiv.org/abs/1104.3346v1;

[3] Energy Spectrum of Two-Dimensional Excitons in a Nonuniform Dielectric Medium, M. R. Molas, et al, Phys. Rev. Lett. 123, 136801 (2019); https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.136801; https://arxiv.org/abs/1902.03962v2;

[4] Spin–flip processes and radiative decay of dark intravalley excitons in transition metal dichalcogenide monolayers
A.O. Slobodeniuk, D.M. Basko, 2D Materials 3, 035009 (2016); https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/3/3/035009; https://arxiv.org/abs/1603.02572v2;

[5] Fano resonances in photonics, M.F. Limonov, M.V. Rybin, A.N. Poddubny, Y.S. Kivshar, Nature Photonics 11, 543–554 (2017); https://www.nature.com/articles/nphoton.2017.142;

Preliminary scope of work

Nedávno objevené dvourozměrné krystaly, jako je grafen, dichalkogenidy přechodných kovů nebo hexagonální nitrid boru, vykazují jedinečné fyzikální vlastnosti, které se odchylují od vlastností odpovídajících objemových krystalů.

Jedním z nejzajímavějších dvourozměrných krystalů jsou polovodivé monovrstvy dichalkogenidů přechodných kovů (TMD). Mají chemické složení MX_2, kde M je přechodový kov, jako W nebo Mo, zatímco X je chalkogen, jako S, Se nebo Te. TMD mají pozoruhodné optické vlastnosti pocházející z excitonů v těchto materiálech. Excitony jsou vázané stavy elektronu vodivého pásma a diru ve valenčním pásmu. Excitony mohou být generovány absorpcí světla krystalem. Opačný proces, při kterém elektron „padne“ na diru s vyzařováním fotonu, se nazývá rekombinace. Energie fotonů pro většinu TMD leží v oblasti viditelného světla. Díky tomu jsou tyto materiály dobrými kandidáty pro optické senzory nebo solární články. Energie odpovídajících fotonů, a tedy energie rekombinujících excitonů, jsou však pevné, což může být překážkou pro konstrukci nebo výrobu zařízení na optické bázi.

Takové optické aplikace však vyžadují hlubokou znalost takzvaných absorpčních spekter – charakteristiky, která popisuje, jak intenzivně krystal absorbuje fotony různých frekvencí. Tuto charakteristiku lze vypočítat z kvantově-mechanického spektra excitonů. Konkrétně, absorpční spektrum krystalu ve frekvenční doméně má vrcholy na frekvencích, které odpovídají energiím excitonů. V monovrstvách dichalkogenidů přechodných kovů však existuje několik typů excitonů, jejichž energie se mohou shodovat. V oblastech koincidenčních energií dochází k modifikaci absorpčního spektra monovrstvy v důsledku tzv. Fanovy rezonančního jevu.

Cílem této práce je odvození absorpčních spekter dichalkogenidové monovrstvy přechodného kovu se zohledněním Fanovy rezonance.

Preliminary scope of work in English

Recently discovered two-dimensional crystals, like graphene, transition metal dichalcogenides, or hexagonal boron nitride demonstrate unique physical properties, which deviate from the properties of the corresponding bulk crystals.

One of the most intriguing two-dimensional crystals is semiconducting transition metal dichalcogenide monolayers (TMD). They have chemical composition MX_2, where M is transition metal, like W or Mo, while X is chalcogen, like S, Se, or Te. TMDs have remarkable optical properties, originating from the excitons in these materials. The excitons are the bound states of the electron of the conduction band and a hole in the valence band. The excitons can be generated by the absorption of light by the
crystal. The opposite process, when the electron “falls“ on a hole with the emission of the photon is called recombination. The energy of the photons, for most of TMDs, lies in the region of visible light. It makes these materials good candidates for optical sensors or solar cells.

However, such optical applications require a deep knowledge of so-called absorption spectra – a characteristic that describes how intensely a crystal absorbs photons of different frequencies. This characteristic can be calculated from the quantum mechanical spectrum of excitons. Namely, the absorption spectrum of the crystal in the frequency domain has peaks at frequencies that correspond to the exciton energies. However, in monolayers of transition metal dichalcogenides, there are several types of excitons whose energies can match. In the areas of coincidence energies, the absorption spectrum of the monolayer is modified as a result of the so-called Fano resonance phenomenon.

The aim of this work is to derive the absorption spectra of a transition metal dichalcogenide monolayer, taking into account the Fano resonance.