Optoelectrical Nanomechanical Drum Resonators Based on Few-Layer MoS2

• Autores: Víctor Marzoa Camarero
• Directores de la Tesis: Ramón Bernardo Gavito (dir. tes.), Daniel Granados Ruiz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 150
• Títulos paralelos:
  • Tambores resonadores optoeléctricos nanomecánicos basados en MoS2 de pocas capas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Los dispositivos optoelectrónicos basados en materiales bidimensionales son una gran promesa para futuros sistemas micro-/nanoelectromecánicos. Ésto se debe a su combinación de propiedades eléctricas y mecánicas, así como por su capacidad de poder modificar la energía de banda prohibida, además de tener un alto acoplamiento espín-órbita. Para poder desarrollar dispositivos electrónicos basados en estos materiales, es necesario tener un profundo conocimiento de sus propiedades físicas. En este contexto, la presente tesis proporciona un estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de sistemas basados en membranas de MoS2 suspendidas en forma de tambor. El objetivo principal es modular la emisión óptica de los tambores de MoS2 haciendo excitar eléctricamente los modos de vibración. De esta manera, la deformación experimentada por la membrana en resonancia será suficiente como para modificar la energía de banda prohibida del MoS2 y, por lo tanto, sus propiedades ópticas. Esta tesis introduce avances científicos y técnicos en el campo de los materiales bidimensionales. Desde el punto de vista técnico, se ha llevado a cabo un método avanzado de nanofabricación para preparar tambores basados en MoS2 exfoliado. Además, se ha implementado una técnica de caracterización novedosa, que combina herramientas para medidas de espectroscopía y de transporte en un amplio rango de temperaturas (de 300 K a 4 K) con resolución lateral nanométrica. Desde el punto de vista científico, hemos estudiado las propiedades ópticas de los tambores en resonancia bajo estímulo eléctrico-óptico, avanzando en el conocimiento de estos sistemas. El manuscrito se divide en tres partes: • La primera parte abarca el estudio de las propiedades ópticas de membranas suspendidas basadas en copos de MoS2 de pocas capas. En concreto, está centrada en la influencia del sustrato y la temperatura en los modos Raman y la fotoluminiscencia del MoS2. • La segunda parte comprende la caracterización de los modos de resonancia de los tambores de MoS2 usando actuación eléctrica y lectura óptica. La reflectividad de la membrana se mide mientras se fuerza al tambor a resonar. • La tercera parte examina las características optoelectrónicas de heterouniones de MoS2/Si, capaces de detectar y emitir luz dependiendo de la dirección de la corriente, mostrando resultados prometedores para aplicaciones optoelectrónicas futuras basadas en materiales bidimensionales

  • English

    Optoelectronic devices based on two-dimensional materials are promising candidates for future micro-/nanoelectromechanical systems owing to a unique combination of tunable bandgap, strong spin-orbit coupling, and favorable electrical and mechanical properties. Understanding their physical properties is essential to developing efficient and reliable electronic devices. In this context, the present thesis provides a systematic study of the optical and electrical properties of drum-like systems fabricated out of few-layer MoS2 flakes. The main goal is to modulate the optical emission of the MoS2 drums by exciting standing vibrational modes, following the experimental setup of an electrostatically driven oscillator. In this way, the deformation of the lattice of the flakes would be sufficient to modify the energy of the bandgap and, thus, its optical properties. This thesis introduces technical and scientific advances in the field of two-dimensional materials. From the technical point of view, a nanofabrication approach to prepare drum resonators based on exfoliated MoS2 has been developed. Moreover, an advanced characterization technique has been implemented, which combines state-of-the-art spectroscopy and transport measurements over a wide temperature range (from 300 K to 4 K) with nanometer spatial resolution. From the scientific point of view, we have studied the optical properties of the drums in resonance under electro-optical stimuli, advancing the understanding of these systems. The manuscript is divided into three parts: • The first part focuses on the characterization of the optical properties of suspended membranes based on exfoliated few-layer MoS2 flakes. In particular, Raman and photoluminescence spectroscopies are studied as a function of the supporting substrate and the temperature. • The second part examines the characterization of the resonant modes of the drums using electric actuation and optical readout. The reflectivity of the membrane is measured while driving the drum to resonance. • The third part deals with MoS2/Si heterojunctions and their ability to detect and emit light, depending on the direction of the current, showing promising results for future optoelectronic applications based on two-dimensional materials