Enhanced light-matter interactions and optoelectronic devices based on graphene and other 2D materials

Abstract

Enhancing the process of converting light into electricity, and vice versa, within materials is a fundamental goal within the domain of optoelectronics. This crucial physical process underpins various technologies, including solar cells, light emitting diodes (LEDs), ultrafast optical communication systems etc. As conventional materials reach their performance limits, there is a growing demand for optoelectronic platforms that offer novel properties in terms of efficiency, speed and wavelength range. The spotlight has recently shifted towards two-dimensional (2D) layered materials, such as single-layer grapheme (SLG) and transition metal dichalcogenides (TMDs), as prime candidates in photonic and optoelectronic applications. These one-atom-thick materials have garnered significant attention, owing to their exceptional electrical and optical properties, which differ from their bulk counterparts. Since the ground-breaking isolation of graphene in 2004, the list of 2D materials has expanded, including a diverse array of crystals with complementary properties. Gathering these 2D building blocks into vertical heterostructures opens up the possibility for designing artificial atomic-layer materials. These resulting van der Waals heterostructures (vdWH), besides combining the properties of their constituent layers, serve as an interesting domain for exploring photophysical effects and implementing innovative light emitting diode schemes. The goal of this thesis is to explore 2D material-light interactions and the optoelectronic behavior of devices based on graphene, other 2D materials and/or their heterostructures. Our aim is to comprehend the physical processes dictating Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) in graphene, as well as the mechanisms governing light emission and manipulation, thereby facilitating the design of enhanced-performance plasmonic substrates, optical modulators, ultrafast pulse-shapers and LEDs, respectively. Utilizing computational methods and convenient analytical approaches, we explore various device configurations to showcase the potential and competitiveness of graphene and TMDs in optoelectronic devices. For selective optical frequencies within the visible spectrum, we integrate grapheme onto 3D plasmonic nanostructured silicon substrates. The conformation of SLG to metallic nanoparticle (NP)-decorated silicon nanopillars allows for the sampling of near-fields, from an increased number of NPs. Additionally, the synergistic effects of NP-Si nanopillars result in a non-local broadband SERS enhancement, reaching up to three orders of magnitude. Our theoretical results agree with corresponding experimental measurements. Exploring light manipulation with graphene in the near-infrared (NIR), we design a freespace optical modulator, operating in reflection mode, which combines grapheme’s electroabsorption tunability with dielectric Bragg nanocavity effects. By optimizing device’s architecture, following practical considerations, we demonstrate the feasibility of achieving deep amplitude modulation (30 dB) at gigahertz (GHz) modulation frequencies, regardless of graphene quality. Moreover, this graphene-based device serves as a highly sensitive acousto-absorption modulator. In the same frequency range, we model graphene within a dielectric Bragg nanocavity, when pumped by a single ultrafast pulse. The saturable absorption of graphene under high power induces pulse modulation in amplitude, duration and, even, shape, resulting in a more than one peak output pulse. Furthermore, this pulse-shaping device can be utilized as a highly sensitive diagnostic tool for identifying intrinsic graphene processes, manifested by its relaxation times. By employing specific TMD emitters, such as WS2 or WSe2, within a graphene/hBN/TMD heterostructure, we design a nanoscale cavity-enhanced LED device for emission into free-space. This design leverages high quality factor (Q) nanocavity effects, to boost the external quantum efficiency (EQE) of LED. This enhancement results from a critical combination of high Purcell enhancement and low cavity losses. Similarly, in the context of an integrated device, designing an antenna-enhanced TMD-based LED on top of a dielectric single-mode silicon nitride (SiN) waveguide, we investigate the enhanced local fields, resulting from the presence of the plasmonic antenna. These fields overlap with SiN waveguide, effectively enhancing the final guided light. This enhancement arises from the critical interplay between plasmonically enhanced Purcell and notably high waveguide coupling efficiencies. Moreover, these innovative designs are not limited to a specific wavelength range. They can be extended across the entire visible-IR spectrum, by appropriately choosing the materials and scaling their dimensions. This versatility allows for the design and optimization of realistic optoelectronic devices. In summary, this study significantly contributes to advancing our understanding of how graphene and other 2D materials, such as TMDs, interact with light. It achieves this by offering a comprehensive exploration of their optical-electronic properties and suggesting optimized designs for novel devices. The theoretical insights developed in this thesis establish groundwork for further improvements in optoelectronic technology, based on graphene and TMDs.

Η βελτίωση της διαδικασίας μετατροπής του φωτός σε ηλεκτρισμό, όπως και το αντίστροφο, μέσω κατάλληλων υλικών, αποτελεί θεμελιώδη στόχο για τον τομέα της οπτοηλεκτρονικής. Αυτή η θεμελιώδης φυσική διαδικασία είναι κρίσιμη για διάφορες τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών κυττάρων (solar cells), των διόδων εκπομπής φωτός (LEDs), των συστημάτων υπεργρήγορης οπτικής επικοινωνίας (ultrafast communication systems) κλπ. Καθώς τα συμβατικά υλικά φτάνουν τα όρια απόδοσής τους, υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση για οπτοηλεκτρονικές πλατφόρμες, που προσφέρουν νέες δυνατότητες όσον αφορά την απόδοση, την ταχύτητα και το εύρος των συχνοτήτων. Πρόσφατα, το ενδιαφέρον έχει μετακινηθεί σε δισδιάστατα (2D) στρώματα υλικών, όπως το μονοστρωματικό γραφένιο (SLG) και τα διχαλκογενίδια μετάλλων μετάβασης (TMDs), ως υποψήφια για φωτονικές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Τα υλικά αυτά, πάχους ενός ατόμου, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον, λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρικών και οπτικών τους ιδιοτήτων, οι οποίες διαφέρουν από αυτές των πολυστρωματικών συγγενικών τους υλικών. Από την πρώτη καινοτόμα απομόνωση του γραφενίου το 2004, η λίστα των 2D υλικών έχει επεκταθεί σημαντικά, περιλαμβάνοντας πληθώρα κρυστάλλων με συμπληρωματικές ιδιότητες. Η συγκέντρωση αυτών των 2D υλικών, ως δομικά στοιχεία, σε κατακόρυφες ετεροδομές ανοίγει τον δρόμο για τον σχεδιασμό τεχνητών (artificial) υλικών ατομικού πάχους. Οι van der Waals ετεροδομές (vdWH) που δημιουργούνται, εκτός από το να συνδυάζουν τις ιδιότητες των στρωμάτων τους, ανοίγουν και ένα ενδιαφέρον πεδίο για τη μελέτη φωτοφυσικών φαινομένων και την υλοποίηση καινοτόμων διατάξεων διόδων εκπομπής φωτός. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η εξερεύνηση των αλληλεπιδράσεων των 2D υλικών με το φως, καθώς και της συμπεριφοράς τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, που βασίζονται σε γραφένιο, άλλα 2D υλικά και/ή τις ετεροδομές τους. Σκοπός μας είναι να κατανοηθούν οι φυσικές διαδικασίες που καθορίζουν την επιφανειακή ενισχυμένη σκέδαση Raman (SERS) στο γραφένιο, καθώς και οι μηχανισμοί, που ελέγχουν τη εκπομπή και τον έλεγχο του φωτός, διευκολύνοντας έτσι τον σχεδιασμό υψηλής απόδοσης πλασμονικών υποστρωμάτων, οπτικών διαμορφωτών, υπεργρήγορων διαμορφωτών παλμικού σχήματος και διόδων εκπομπής φωτός, αντιστοίχως. Χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες υπολογιστικές μεθόδους και αναλυτικές προσεγγίσεις, εξετάζουμε ποικίλες διαμορφωμένες διατάξεις, για να αναδείξουμε τις δυνατότητες και την ανταγωνιστικότητα του γραφενίου και των TMDs όταν χρησιμοποιούνται σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Για επιλεγμένες οπτικές συχνότητες εντός του ορατού φάσματος, ενσωματώνουμε το γραφένιο σε τρισδιάστατα πλασμονικά νανοδομημένα υποστρώματα πυριτίου. Η διαμόρφωση του SLG σε υβριδικές δομές μεταλλικών νανοσωματίδιων (NPs) επάνω σε νανοστήλες πυριτίου, επιτρέπει την ενίσχυση SERS εξαιτίας των κοντινών πεδίων από ένα αυξημένο αριθμό NPs. Επιπλέον, οι συνεργατικές επιδράσεις NP-νανοστηλών πυριτίου οδηγούν σε μη τοπική ευρυζωνική ενίσχυση SERS, που φτάνει μέχρι και τρεις τάξεις μεγέθους. Τα θεωρητικά μας αποτελέσματα συμφωνούν με αντίστοιχες πειραματικες μετρήσεις. Εξετάζοντας τον έλεγχο του φωτός με γραφένιο στο εγγύς υπέρυθρο (NIR), σχεδιάζουμε έναν οπτικό διαμορφωτή για εκπομπή στον ελεύθερο χώρο, που εκμεταλλεύεται το μέγεθος της οπτικής αντανάκλασης και συνδυάζει την μετατοπίσιμη ηλεκτρο-απορρόφηση του γραφενίου με τα φαινόμενα που προκύπτουν μέσα σε μια διηλεκτρική Bragg νανοκοιλότητα. Βελτιώνοντας την αρχιτεκτονική της διάταξης, λαμβάνοντας υπόψη πρακτικές μεθόδους, αναδεικνύουμε την δυνατότητα επίτευξης υψηλού πλάτους διαμόρφωσης (30 dB) σε συχνότητες διαμόρφωσης της τάξης των gigahertz (GHz), ανεξαρτήτως της ποιότητας του γραφενίου. Επιπλέον, αυτή η διάταξη γραφενίου λειτουργεί και ως ένας υπερευαίσθητος ακουστο-απορροφητικός διαμορφωτής. Στον ίδιο εύρος συχνοτήτων, μοντελοποιούμε τη διάταξη γραφενίου μέσα σε διηλεκτρική Bragg νανοκοιλότητα, υπό την επίδραση ενός υπεργρήγορου (ultrafast) παλμού. Η κορέσιμη απορρόφηση του γραφενίου, υπό υψηλής έντασης παλμό, προκαλεί διαμόρφωση του πλάτους, της διάρκειας, καθώς και του σχήματος του παλμού, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός εξερχόμενου παλμού με περισσότερες από μία κορυφές. Επιπλέον, αυτή η διάταξη διαμόρφωσης παλμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα υπερευαίσθητο διαγνωστικό εργαλείο για τον εντοπισμό των εγγενών διεργασιών του γραφενίου, που εκφράζονται μέσω των χρόνων χαλάρωσής του. Χρησιμοποιώντας συγκεκριμένους TMD εκπομπείς, όπως το WS2 ή το WSe2, εντός μίας κάθετης ετεροδομής γραφενίου/hBN/TMD, σχεδιάζουμε μια ενισχυμένη διάταξη LED σε νανοκοιλότητα για εκπομπή φωτός στο ελεύθερο χώρο. Η διάταξη αυτή εκμεταλλεύεται το φαινόμενο του συντονισμού μέσα σε νανοκοιλότητα υψηλού παράγοντα ποιότητας (Q), για να ενισχύσει την εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) του LED. Η ενίσχυση αυτή προκύπτει από τον κατάλληλο συνδυασμό της ενίσχυσης Purcell με τις χαμηλές απώλειες της κοιλότητας. Επιπλέον, στο πλαίσιο μιας ολοκληρωμένης διάταξης, σχεδιάζοντας ενισχυμένης απόδοσης LED, βασισμένο σε TMDs, όταν έρχεται σε επαφή με νανοκεραία και τοποθετείται επάνω σε διηλεκτρικό μονοτροπικό κυματοδηγό νιτριδίου του πυριτίου (SiN WG), ερευνούμε τα ενισχυμένα τοπικά πεδία, που προκύπτουν από την παρουσία της πλασμονικής κεραίας. Τα πεδία που δημιουργούνται επικαλύπτονται με τον κυματοδηγό, ενισχύοντας αποτελεσματικά το τελικό καθοδηγούμενο φως. Η ενίσχυση αυτή προκύπτει από τον κατάλληλο συνδυασμό της πλασμονικώς ενισχυμένης απόδοσης Purcell και της αξιοσημείωτης απόδοσης σύζευξης μέσα στον κυματοδηγό (WG coupling). Επιπλέον, αυτές οι καινοτόμες διατάξεις δεν περιορίζονται σε συγκεκριμένο φασματικό εύρος συχνοτήτων. Μπορούν να επεκταθούν σε ολόκληρο το ορατό-υπέρυθρο φάσμα, επιλέγοντας τα κατάλληλα υλικά και προσδιορίζοντας την κλίμακα των διαστάσεων τους. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει τον σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση ρεαλιστικών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Συνοπτικά, η μελέτη που ακολουθεί συνεισφέρει σημαντικά στην προώθηση της κατανόησης μας σχετικά με το πώς το γραφένιο και άλλα 2D υλικά, όπως τα TMDs, αλληλεπιδρούν με το φως. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας σφαιρικής εξερεύνησης των οπτικών-ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων και προτείνοντας βελτιστοποιημένες και καινοτόμες διατάξεις. Η θεωρητική μελέτη που αναπτύχθηκε σε αυτήν τη διατριβή θεμελιώνει τις βάσεις για περαιτέρω βελτιώσεις στην οπτοηλεκτρονική τεχνολογία που βασίζεται στο γραφένιο και τα TMDs.