Methods to enhance the nonlinear optical frequency conversion in transition metal dichalcogenides

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dc.contributor.advisorMatos, Christiano José Santiago de
dc.contributor.authorVianna, Pilar Gregory
dc.date.accessioned2022-04-06T14:45:01Z
dc.date.available2022-04-06T14:45:01Z
dc.date.issued2022-02-11
dc.description.abstractSince the isolation of graphene, an increasing number of 2D materials have been produced, attracting attention of researchers. Graphene, however, behaves as a zero-gap semiconductor, which limits its applicability in photonic and optoelectronic devices. 2D transition metal dichalcogenides (TMDs), on the other hand, can exhibit different phases, with tunable bandgap energy, enabling photonic applications including modulators, photodetectors, and lightemitting diodes. Furthermore, TMD monolayers present large nonlinear optical susceptibilities, which are responsible for effects such as second- and third-harmonic generation (SHG/THG), important for all-optical wavelength conversion. However, and despite the enormous number of benefits, direct TMD utilization for practical nonlinear optical applications is still an ongoing challenge. The atomic thickness of these materials results in reduced light–matter interaction, which naturally leads to low net frequency converted intensities (even if the conversion efficiency per unit thickness is higher than that in conventional materials). Therefore, ways to enhance the process and maximize the nonlinear interaction are crucial for making practical applications viable. In this work, we propose two different approaches for enhancing the nonlinear conversion efficiency in 2D TMDs. In our first strategy, we propose optimizing the overall system through the influence of the substrate. We demonstrate the use of fluorinedoped-thin-oxide (FTO) with an epsilon-near-zero point close to the pump wavelength to increase the nonlinear conversion efficiency in monolayer TMDs. Polarized SHG measurements reveal an intensity one order of magnitude higher on TMDs deposited on FTO than that on a bare glass substrate. Secondly, a promising alternative is to increase the lightmatter interaction length by integration of 2D materials in on-chip waveguides. We exploit an exfoliation method to obtain macroscopic single-crystal monolayers, comparable in quality to microscopic flakes, which can in principle be transferred to waveguide structures, opening a path to real photonic devices. Thus, we present the use of different techniques to manipulate 2D TMDs and propose the use of different substrates and platforms to obtain optimized and more efficient nonlinear optical responses.pt_BR
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nívelpt_BR
dc.identifier.urihttps://dspace.mackenzie.br/handle/10899/28924
dc.language.isopt_BRpt_BR
dc.language.isoenpt_BR
dc.publisherUniversidade Presbiteriana Mackenzie
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subject2D materialspt_BR
dc.subjecttransition metal dichalcogenides (TMDs)pt_BR
dc.subjectsecond-harmonic generation (SHG)pt_BR
dc.subjectnonlinear opticspt_BR
dc.subjectepsilon-near-zero (ENZ)pt_BR
dc.titleMethods to enhance the nonlinear optical frequency conversion in transition metal dichalcogenidespt_BR
dc.typeTesept_BR
local.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6843256597783676pt_BR
local.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5168675150642820pt_BR
local.contributor.authorOrcidhttps://orcid.org/0000-0001-9767-5538pt_BR
local.contributor.board1Saito, Lúcia Akemi Miyazato
local.contributor.board1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0915583034741895pt_BR
local.contributor.board1Orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7157-1191pt_BR
local.contributor.board2Rosa, Henrique Guimarães
local.contributor.board2Latteshttp://lattes.cnpq.br/7713098655067147pt_BR
local.contributor.board3Murray, Robert
local.contributor.board3Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4036-1797pt_BR
local.contributor.board4Gomes, Anderson Stevens Leonidas
local.contributor.board4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8841334894205599pt_BR
local.description.abstractenDesde o isolamento do grafeno, um número crescente de materiais 2D tem sido produzido, atraindo a atenção de pesquisadores das mais diversas áreas. O grafeno comporta-se como um semicondutor de gap zero, o que limita sua aplicabilidade em dispositivos fotônicos e optoeletrônicos. Já os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs, do inglês, transition metal dichalcogenides), podem exibir diferentes fases, com energia de bandgap variável, importante para aplicações fotônicas como moduladores, fotodetectores e diodos emissores de luz. Além disso, os TMDs monocamada apresentam altas suscetibilidades ópticas não lineares, responsáveis por efeitos como a geração de segundo e terceiro harmônico (SHG / THG), importante para conversão de frequência totalmente óptica. No entanto, e apesar do enorme número de benefícios, a utilização dos TMDs para aplicações práticas ainda é um desafio. A espessura atômica desses materiais resulta em baixa interação luz-matéria, o que naturalmente leva a baixas eficiências de conversão de frequência (mesmo considerando a eficiência de conversão por unidade de espessura maior do que em materiais convencionais). Portanto, formas de aprimorar os processos e maximizar a interação não linear são cruciais para viabilizar aplicações práticas. Neste trabalho, propomos duas abordagens diferentes para aumentar a eficiência de conversão não linear em TMDs. A primeira estratégia foca na otimização do sistema por meio da influência do substrato. Demonstramos o uso de óxido de estanho dopado com flúor (FTO, do inglês fluorine-doped thin oxide), com a constante dielétrica próxima a zero (ENZ, do inglês epsilon-near-zero) próximo ao comprimento de onda de bombeio, para maximizar a eficiência de conversão não linear em TMDs monocamada. Medidas de SHG polarizado revelam uma intensidade uma ordem de magnitude maior em TMDs depositados em FTO do que em vidro. A segunda estratégia, apresentada como uma alternativa promissora é aumentar o comprimento da interação luz-matéria pela integração de materiais 2D em guias de onda. Exploramos a exfoliação assistida por ouro desses materiais a fim de obter monocristais macroscópicos de uma única camada, comparáveis em qualidade aos flakes microscópicos, que podem, em princípio, ser transferidos para estruturas de guias de ondas abrindo caminho para dispositivos fotônicos reais. Dessa forma, apresentamos o uso de diferentes técnicas de manipulação de TMDs e propomos o uso de diferentes substratos e plataformas para a obtenção de respostas ópticas não lineares otimizadas e mais eficientes.pt_BR
local.keywordsmateriais 2Dpt_BR
local.keywordsdicalcogenetos de metais de transiçãopt_BR
local.keywordsgeração de segundo harmônicopt_BR
local.keywordsóptica não-linearpt_BR
local.keywordsepsilon-near-zero (ENZ)pt_BR
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentEscola de Engenharia Mackenzie (EE)pt_BR
local.publisher.initialsUPM
local.publisher.programEngenharia de Materiais e Nanotecnologiapt_BR
local.subject.cnpqTecnologia e desenvolvimento de materiaispt_BR
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