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A van der Waals solid is characterized by the vertical stacking of atomic layers that interact with each other through van der Waals forces. It is already possible to isolate layers and to stack them with other layered materials in order to form a so-called van der Waals heterostructure. Excitons are quasiparticles formed by a bound electron-hole (e - h) pair that appear in semiconductors when an electron in the valence band is excited to the conduction band. Interlayer excitons can be created in van der Waals heterostructures when the e - h pair is located in different layers in real space. Accessing and controlling interlayer excitons and their interplay with conventional intralayer excitons is crucial to develop novel technologies which require long lifetimes and high energy excitons such as photodetectors and solar cells. In this work, we consider transition metal dichalcogenides heterobilayers and heterotrilayers in different configurations. We investigate the behavior of the exciton binding energy as well as the exciton probability distribution as a function of an external electric field applied perpendicularly to the plane of the stacked layers. First, we find an analytical expression for the dielectric functions in bilayers and trilayers systems, encapsulated or not by other materials. Due to the dielectric screening, the interaction potential between the electron-hole pair is no longer the Coulomb potential. In order to find this potential, we solve the Poisson equation in a medium with N interfaces, which represent the interfaces between different layers. Then, we investigate MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2 heterobilayers and heterotrilayers in different symmetric and asymmetric (where the substrate and the layer above the heterostructure are composed of different materials) configurations with respect to the central layer plane. We use a hybrid model involving the effective mass approach and the tight-binding model to construct the exciton Hamiltonian for each system. Finally, we study the behavior of the exciton wave functions, focusing mainly on their degree of electron-hole overlap. Um sólido de van der Waals se caracteriza pelo empilhamento de várias camadas atômicas de materiais bidimensionais que interagem entre si através da força de van der Waals. Já é possível isolar essas camadas e empilhá-las junto a camadas de materiais diferentes para formar o que chamamos de heteroestrutura de van der Waals. Éxcitons, quasi-partículas formadas pelo estado ligado do par elétron-buraco (e - h), surgem em semicondutores quando um elétron na banda de valência é excitado para a banda de condução. Em heteroestruturas de van der Waals, éxcitons intercamada podem se formar quando o estado ligado do par e - h está em camadas diferentes no espaço real. Acessar e controlar os éxcitons intercamada e sua relação com os éxcitons intracamada convencionais é fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias que requerem longo tempo de vida e alta energia de éxcitons, como fotodetectores e células solares. Neste trabalho consideramos heterobicamadas e heterotricamadas, formadas por dicalcogenetos de metais de transição, em diferentes configurações. Investigamos o comportamento da energia de ligação e da distribuição espacial de éxcitons como uma função de um campo elétrico externo, na direção perpendicular ao plano das camadas. Primeiramente, encontramos uma expressão analítica para as funções dielétricas em bicamadas e tricamadas, encapsuladas ou não por outros materiais. Devido à blindagem dielétrica, a interação do par elétron-buraco não será mais o potencial de Coulomb. A fim de achar a forma desse potencial, resolvemos a equação de Poisson em um meio com N interfaces, representando as interfaces entre as diferentes camadas. Em seguida, investigamos heterobicamadas e heterotricamadas formadas por MoS2, MoSe2, WS2 e WSe2, em diferentes configurações, dentre elas, sistemas simétricos com relação ao plano da camada central, e sistemas assimétricos, onde o substrato e a camada acima da heteroestrutura são compostas de materiais diferentes. Utilizamos um modelo híbrido entre a aproximação de massa efetiva e o modelo tight-binding para construir o Hamiltoniano do éxciton em cada sistema. Em seguida, diagonalizamos esse Hamiltoniano para obter a energia de ligação do éxciton. Analisamos também o comportamento das funções de onda, estando principalmente interessados na sobreposição dessas funções.

With the recent advances in two-dimensional (2D) materials fabrication techniques, the variety of these materials that became available for experimental studies has increased substantially over the past few years. The possibility of manipulating the number of layers in these materials also brings new perspectives to explore the physical properties of multilayer 2D materials. This is interesting because the physical properties of some 2D materials, such as the band alignment between layers, quasi-particle effective masses, and optical band gaps, can be tuned by the number of layers. One can explore such a multilayer semiconductor system in two ways: with a stack of layers of the same material, or combining layers of different materials. In this work, we consider the first case, where the material is black phosphorus (BP). Motivated by recent experimental observations of light absorption in few-layer BP, we develop a theoretical model to explain the origin of a series of high-intensity peaks interspersed by pairs of low-intensity peaks, in the experimental absortion spectra of BP. The model consists in describing excitonic states in a few-layer of BP through the effective mass approximation, which deals with the electron and hole in-plane coordinates, along with a unidimensional tight-binding approximation that accounts for inter-layer couplings. This yields excitonics transitions between different combinations of the sub-bands created by the coupled BP layers, which leads to a series of high and low-intensity peaks that are related to the oscillator strength of the excitonic states involved. These high and low-intensity states are referred in the literature as bright and dark excitons states, respectively. The energy and oscillator strength of the sub-bands exciton states can be controlled through a perpendicular electric field and the number of layers. The results obtained by this model are consistent with what is observed in the experiment and, in addition, they help elucidating aspects that the experiment did not consider about subband excitonic states. Among them, are the hybridization between excitonic states and the dependency of diamagnetic shift with an electric field for different states. Com os avanços recentes nas técnicas de fabricação de materiais bidimensionais (2D), a variedade desses materiais que se tornaram disponíveis para estudos experimentais aumentou muito nos últimos anos. A possibilidade de manipular o número de camadas nesses materiais também traz novas perspectivas para explorar as propriedades físicas de suas versões em multicamadas. Isso é interessante porque as propriedades físicas de alguns materiais 2D, como massas efetivas de quase-partículas, energia de ligação de excitons e o gap de energia, podem ser ajustadas pelo número de camadas. Pode-se explorar o sistema de multicamadas de duas maneiras: o empilhamento de camadas do mesmo material ou combinando camadas de diferentes materiais. Neste trabalho, trataremos do primeiro caso, onde o material é o fósforo negro (BP). Motivado por recentes observações experimentais de absorção de luz em poucas camadas de BP, desenvolvemos um modelo teórico para explicar a origem de uma série de picos de alta intensidade, intercalados por um par de picos de baixa intensidade, observados em experimentos de espectro de absorção de luz. O modelo consiste em descrever estados excitônicos em poucas camadas de BP através da aproximação de massa efetiva, que lida com as coordenadas no plano do elétron e do buraco, enquanto que o acoplamento inter-camada se dá através de um modelo tight-binding unidimensional. Esse modelo fornece transições de excitons entre diferentes combinações de subbandas, criadas pelo acoplamento de camadas de BP, que leva a essa série de picos com altas e baixas intensidades, as quais estão relacionadas à força do oscilador dos estados excitônicos. Esses estados de alta e baixa intensidade são muitas vezes referidos na literatura como estados bright (claro) e dark (escuro) de excitons, respectivamente. A energia e a força do oscilador dos estados de excitons de subbandas podem ser controlados através de um campo elétrico perpendicular e do número de camadas. Os resultados obtidos pelo modelo estão consistentes com o que é observado no experimento, além de elucidar aspectos que o experimento não considerou acerca dos estados de excitons de subbandas. Entre eles estão: a hibridização entre estados de excitons e a dependência do shift diamagnético com o campo elétrico para diferentes estados.

Submitted by Raquel Riciati do Couto Vilela null (r.vilela@ymail.com) on 2017-05-10T19:43:47Z No. of bitstreams: 1 Dissertação final - Raquel Vilela.pdf: 4751160 bytes, checksum: fa0956e5e393b6c5ddea05d45779ce6b (MD5) Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-05-10T19:46:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 vilela_rrc_me_rcla.pdf: 4751160 bytes, checksum: fa0956e5e393b6c5ddea05d45779ce6b (MD5) Made available in DSpace on 2017-05-10T19:46:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 vilela_rrc_me_rcla.pdf: 4751160 bytes, checksum: fa0956e5e393b6c5ddea05d45779ce6b (MD5) Previous issue date: 2017-03-15 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A incorporação de nanopartı́culas em matrizes hı́bridas produz materiais com grande potencial para aplicações em diversas áreas de estudo. Na óptica, sua funcionalidade surge quando elétrons confinados em estruturas tridimensionais nanométricas são excitados. Em princı́pio, esses materiais exibem nı́vel de energia discreto, apresentando picos estreitos no espectro de absorção. Tal comportamento torna-os atrativos para óptica não-linear e aplicações eletro-ópticas. Neste trabalho, o processo sol-gel foi utilizado para a sı́ntese de nanocompósitos contendo CuCl ou CuBr. Cu2O, HBr e HCl foram utilizados como precursores para os CuBr e CuCl, e a matriz Orgânica/Sı́lica foi preparada a partir dos alcóxidos 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTS) e Tetraetilortosilicato (TEOS). As amostras foram preparadas na forma de filmes finos depositados sobre lâminas de vidro, utilizando a técnica Dip-Coating. Após a secagem, as amostras foram tratadas num forno convencional e/ou expostas à radiação UV utilizando uma luz negra comercial. A espectroscopia de absorção UV-VIS permitiu identificar estreitas bandas de absorção, bem como sua variação. O espectro de absorção (UV-VIS) registrou à temperatura ambiente picos em 418 e 399 nm para as nanopartı́culas de CuBr e a 376 e 380 nm para as nanopartı́culas CuCl, correspondente aos excitons Z1,2 e Z3 respectivamente. Comportamento semelhante foi relatado na literatura. The incorporation of nanoparticles in hybrid matrices has produced materials with great potential for applications in many fields of study. In optics, its functionality arises when electrons confined in nanometric three-dimensional structures are excited. At first, these materials exhibit discrete energy level, with sharp peaks in the absorption spectrum. Such behavior makes them attractive to non-linear optical and electro-optical applications. In this work, the sol-gel process was used for the synthesis of nanocomposite containing CuCl or CuBr. These complexes decompose during thermal or ultraviolet treatment, and form copper halide nanoparticles. Cu2O, HCl and HBr were used as precursors for the CuBr and CuCl, and the organic matrix/silica was prepared from alkoxides of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) and tetraethylorthosilicate (TEOS). The samples were made in the form of thin films deposited on glass slides using the dip-coating technique. After drying, they were treated in a conventional oven and/or exposed to UV radiation using a commercial black light. The UV-VIS absorption spectrum allowed to identify narrow absorption bands, such as its variation. The absorption spectrum (UV-Vis) recorded at room temperature showed peaks at 418 and 399 nm CuBr nanoparticles and 376 and 380 to CuCl nanoparticles corresponding to the excitons Z1,2 and Z3 respectively. Similar behavior has been reported in the literature.

Universidade Federal de Uberlândia In this work we investigate theoretically the dissipative dynamics of exciton states in a system constituted by coupled quantum dots, which in turn exhibit a great flexibility and experimental ability to change their energy spectrum and structural geometry through of external electric fields. In this way, the optical coherent control of charge carriers enables the investigation of several quantum interference process, such as tunneling induced transparency. We investigate the optical response of the quantum dot molecule considering different optical regimes and electric field values, where the tunneling between the dots can establish efficiently quantum destructive interference paths causing significant changes on the optical spectrum. Using realistic experimental parameters we show that the excitons states coupled by tunneling exhibit a controllable and enriched optical response. In this system, we also investigate the entanglement degree between the electron and hole, and we demonstrate through of the control of parameters such as, the applied gate voltage, the incident laser frequency and intensity, the system goes to an asymptotic state with a high entanglement degree, which is robust to decoherence process. Neste trabalho investigamos teoricamente a dinâmica dissipativa de estados de éxcitons em um sistema formado por pontos quânticos duplos, que por sua vez apresentam uma grande flexibilidade e capacidade experimental em alterar seu espectro de energia juntamente com sua forma estrutural por meio de campos elétricos externos. Deste modo, o controle óptico coerente de portadores de carga nessas nanoestruturas permite a investigação de diversos processos de interferência quântica, tais como transparência induzida por tunelamento. Investigamos a resposta óptica da molécula quântica considerando diferentes regimes ópticos e valores de campo elétrico, nos quais o tunelamento entre os pontos pode estabelecer eficientemente caminhos de interferência quântica destrutiva provocando mudanças significativas no espectro óptico. Usando parâmetros experimentais realísticos mostramos que os estados excitônicos acoplados por tunelamento exibem uma resposta óptica controlável e bastante enriquecida. Neste mesmo sistema, investigamos o emaranhamento entre elétron e buraco, e demonstramos que através do controle de parâmetros tais como, a barreira de potencial aplicada, a frequência e intensidade do laser incidente, o sistema evolui para um estado assintótico com um alto grau de emaranhamento, que se apresenta robusto a processos de decoerência. Doutor em Física

CNPQ O principal objetivo deste trabalho foi investigar fenômenos ópticos ultrarrápidos em sistemas nanoestruturados empregando diferentes técnicas espectroscópicas não lineares, tanto no domínio do tempo quanto no domínio da frequência. Para fornecer uma base adequada que permita entender os experimentos feitos nessa tese, os princípios físicos das espectroscopias ópticas não lineares são apresentados. Inicialmente é apresentada uma descrição da função resposta não linear no domínio do tempo. A evolução temporal da polarização óptica, que gera o sinal espectroscópico, é descrita em detalhes usando uma teoria de perturbação diagramática. Técnicas ópticas não lineares são apresentadas, tais como eco de fótons, bombeamento-e-sonda e hole burning, assim como o comportamento dinâmico de um material pode ser interpretado a partir do sinal gerado. A técnica de mistura degenerada de quatro ondas com luz incoerente foi usada para investigar, pela primeira vez, o defasamento ultrarrápido de éxcitons em uma vitrocerâmica contendo nanocristais de niobato de sódio. O tempo de defasamento medido (T2 = 20 fs) indica qu empregada para investigar processos de transferência de carga em colóides com nanopartículas de TiO2 e rodamina 6G. O comportamento do sinal de depleção transiente é comparado com o observado para a rodamina livre suspensa em etanol. A análise dos resultados permitiu atribuir o comportamento de depleção à transferência de carga de estados excitados termalizados das moléculas de corante para a banda de condução do semicondutor e a transferência no sentido inverso do semicondutor para as moléculas. The main objective of this work was the investigation of ultrafast optical phenomena in selected nanostructured systems employing different nonlinear spectroscopic techniques, either in the time or the frequency domain. To provide an appropriate background to understand the performed experiments the principles of nonlinear optical spectroscopies are presented. Initially a description of the nonlinear optical response function in the time domain is given. The time evolution of the optical polarization, that gives rise to the spectroscopic signal, is described in detail using a diagrammatic perturbation theory. Nonlinear optical techniques are discussed such as photon echoes, pump-and-probe and hole-burning, as well as how the dynamical behavior of a material can be interpreted from the generated signals. The degenerate four-wave mixing technique with incoherent light was used to investigate for the first time the ultrafast dephasing of excitons in a glass-ceramic containing sodium niobate nanocrystals. The short dephasing time measured (T2 = 20 fs) indicates that different dephasing channels contribute for the excitonic dephasing, namely: electron-electron scattering, electron-phonon coupling and fast trapping of electrons in defects on the nanocrystals interface. Low-temperature luminescence experiments were also performed to measure excitonic and trap states lifetimes. The persistent spectral holeburning technique was applied to measure localized surface plasmons dephasing times in colloidal silver nanoparticles capped with different stabilizing molecules. The dependence of T2 with three different stabilizers was demonstrated and theoretically analyzed. The results show that the dephasing times are shorter than the theoretically calculated T2 using the bulk dielectric functions of the metal. This discrepancy is attributed to changes in the electronic density of states at the nanoparticles interface caused by the presence of the stabilizers. Ab-initio calculations based on the Density Functional Theory were performed to further understand the interaction between the nanoparticles and stabilizing agents. The femtosecond transient absorption technique was employed to study the ultrafast dynamics of in-gap states in a glassceramics containing sodium niobate nanocrystals. Two main temporal components were found for the excited state absorption signal: a fast component, with decay time of ≈ 1 ps, and a slower component which is attributed to deep trap states. This slower component is responsible for the excited state absorption contribution in optical limiting experiments previously reported in the literature. The dynamics of the optical limiting in this sample was also studied, in the millisecond range, exciting the sample with a train of femtosecond pulses. The optical limiting behavior reflects the dynamics of population in the excited and trap states and this dynamics was modeled using rate equations for the electronic states’ populations. Finally, the pump-andprobe transient absorption technique was employed to investigate charge-transfer processes in colloids with rhodamine 6G and TiO2 nanoparticles. The transient bleaching signal behavior is compared with the one observed for unlinked rhodamine 6G dissolved in ethanol. The analysis of the results allowed the attribution of the bleaching behavior to charge-transfer from thermalized excited states of the dye molecules to the semiconductor conduction band and to the back charge-transfer from the semiconductor to the molecules.

Neste artigo estudamos a influência da direção de crescimento e do número de monocamadas nas propriedades ópticas de super-redes de (GaAs)m/(AlAs)5 com m = 3 ou 5. As direções escolhidas foram a [111]A, [311]A e a [100]. Esta últimafoi utilizada como referência. As configurações das ligações químicas do substrato de arseneto de gálio mudam de acordo com a orientação, o que implica em variações nas propriedades ópticas da heteroestrutura crescida. As super-redes foram caracterizadasatravés da técnica de Fotoluminescência em função da temperatura e da intensidade de excitação. Da análise, verificou-se que os picos principais dos espectros sãoatribuídos a transições indiretas dos éxcitons na direção [100] e [311]A para m=3 ou 5, e [111]A com m=5, assim como as transições com participações de fônons de AlAs na [100] com m=3, e de GaAs para [311]A com m=5. Na [100] com m=5 foiconstatado um aumento na energia de transição excitônica cujo aumento é verificado pela dependência com a temperatura. A superfície [111]A com m=3 apresentou um comportamento anômalo, sendo o pico de maior intensidade deslocado para regiões de menores energias em relação as demais direções.

Investigamos o tunelamento ressonante de elétrons e buracos em um pouco quântico duplo assimétrico de CdTe/CdMnTe na presença de campos elétricos e magnéticos aplicados ao longo da direção de crescimento. Mostramos que neste caso é possível alcançar uma condição de tunelamento ressonante simultâneo de elétrons e buracos com spin definido, isto é , um tunelamento ressonante de éxcitons polarizados. Em seguida calculamos a energia de ligação excitônica em função dos campos aplicados, mostrando a forte dependência da energia de ligação com o tunelamento dos portadores. A estrutura eletrônica foi calculada usando o método ~k ~p no modelo multibandas de Kane. Os autoestados foram obtidos resolvendo-se numericamente a equa¸c ao da massa efetiva usando o método das potência inversa. Os efeitos de tensão da rede cristalina foram tratados pelo modelo de Pikus-Bir. O cálculo de energia de ligaçãoo excitônica foi realizado usando o método variacional. Consideramos as interfaces da heteroestrutura perfeitamente abruptas, isto é, efeitos de alargamento das interfaces foram desprezados. We investigate the resonant tunneling of electrons and holes in an asymmetric double quantum bit CdTe / CdMnTe in the presence of electric and magnetic fields applied along the growth direction. We show that in this case it is possible to achieve a condition of simultaneous resonant tunneling of electrons and holes with spin set, ie, a resonant tunneling of excitons polarized. Then we calculated the excitonic binding energy as a function of applied fields, showing the strong dependence of the binding energy with the tunneling of carriers. The electronic structure was calculated using the k ~ ~ p multiband Kane model. The eigenstates were obtained by solving numerically the equations ° C ~ the effective mass using the method of inverse power. The effects of lattice strain were treated by the Bir-Pikus model. The energy calculation of excitonic Dial-Up was conducted using the variational method. We consider the perfectly abrupt interfaces of the heterostructures, ie effects of enlargement of the interfaces were neglected.

In the last few decades the physics of low dimensional semiconductor systems have attracted much attention due to the potential applications that arise from their due to electronic and optical properties. For example, InGaAs and InGaAsP heterostructures are currently used in optoelectronic applications that operate in the infrared spectrum. In such systems, the con_nement of charges can be realized in one, two or in three dimensions. The optical properties of quantum con_nement systems are basically determined by electronic transitions. Excitons, formed by an electron-hole pair bounded by coulombic interaction, are the responsible for the emission wavelenght. The aim of this work is to computer the ground state exciton energies in quantum wells, cylindrical quantum wires and pyramidal quantum dots as a function of the their size and shape. The results show that the exciton energies of In0:4Ga0:6As/GaAs quantum wells and wires are in the range from 0.9 to 1.3 eV. The results of In0:4Ga0:6As/GaAs pyramidal quantum dots show that the e-lh (e-hh) recombination energies are approximately 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV. A física de sistemas semicondutores de baixa dimensionalidade tem evoluído bastante nas últimas décadas. Em parte, porque essas estruturas oferecem a oportunidade de testarmos vários modelos teóricos, mas também porque existe um grande potencial de aplicação tecnológica derivada das propriedades de tais estruturas e dos materiais que a formam. Como exemplo, temos as heteroestruturas semicondutoras formadas com os materiais InGaAs e InGaAsP que são de grande utilidade em dispositivos optoeletrônicos emitindo na região do infravermelho. Nesses sistemas podemos fazer um confinamento dos portadores de carga, como elétrons e buracos, em uma, duas ou em três direções, aos quais são chamados de poço (2D), fio (1D) e ponto quântico (0D), respectivamente. As propriedades óticas dos semicondutores são determinadas pelos autovalores e autovetores do movimento dos elétrons e buracos. Os excitons que é o par elétron-buraco interagindo entre si são os maiores responsáveis pela emissão (pico da fotoluminescência) em sistemas de confinamento em semicondutores. A interação colombiana e o tipo de confinamento imposto pela construção dessas estruturas junto com suas interfaces graduais afeta o movimento desses portadores. O nosso objetivo neste trabalho é calcular a energia de emissão dos excitons elétron-buraco leve e elétron-buraco pesado em poços, fios cilíndricos e em pontos quânticos piramidais em função de seus parâmetros de dimensionalidade. Os resultados obtidos mostram as energias do exciton no poço e no fio quântico In0.4Ga0.6As/GaAs na mesma ordem de grandeza, estando na faixa de 0.9 à 1.3 eV. Para o ponto piramidal, as energias de recombinação do par e-hh (e-lh) estão na faixa de 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV.