Optical investigation of 2D materials with in-plane engineering: exciton confinement and chirality sensing

(English) Two-dimensional (2D) materials provide a powerful platform for nanoscale engineering and control of geometry and energy landscapes without directly modifying the material, owing to their interfacial nature. This thesis explores how we can harness this potential by introducing in-plane engineering in van der Waals heterostructures. We present two case studies: in one, the exciton dimensionality is reduced using a designed 1D electrostatic trap; in the other, twisting two monolayers yields a chiral configuration that modifies the interaction with other chiral systems. Together, these two parts demonstrate how inplane symmetry breaking (translational and mirror symmetry, respectively) in 2D material platforms enables new modalities of control and sensing. In the first part, we investigate electrostatically defined confinement of intralayer excitons in MoSe2. A p–i–n junction is induced in the monolayer by asymmetric gating, creating a tight 1D potential with an effective exciton confinement length down to 10nm. Combining photoluminescence and reflectance-contrast spectroscopy, we resolve a discrete spectrum of localized states arising from center-of-mass quantization, with linear polarization aligned with the trap geometry, consistent with confinement-enhanced valley-exchange interactions. Importantly for the development of this technique, we show that the confinement potential cannot be understood as a purely electrostatic effect. Illumination reshapes device operation by inducing dissociation-driven photo-doping and Auger-assisted charge extraction, thereby stabilizing a working p–i–n configuration. We resolve photoinduced carrier-redistribution dynamics on the scale of seconds and demonstrate that their dependence on excitation position produces sharp switching between confined and unconfined excitonic responses. A rate-equation description captures the competition between dissociation and Auger processes, highlighting a route to nonlocal optical control of carrier density and, consequently, of the confinement potential. Programmable excitonic potentials that reach the 0D limit could enable quantum technologies such as single-photon sources or optically addressable qubits, and open a route toward strong exciton–exciton interactions and Bose–Hubbard physics. In the second part, we leverage the structural chirality of twisted bilayer graphene (TBG) to realize a novel enantiomeric sensing strategy based on chirality-dependent non-radiative energy transfer. In the presence of TBG, the decay rate of chiral fluorophores is modified depending on handedness matching between molecule and substrate, which we read out by measuring the fluorescence lifetime in time-resolved photoluminescence experiments. The observed asymmetry is statistically tested by spatially resolving the enantioselective contrast, observing a sign reversal upon inversion of the TBG handedness, and exploring the role of the twist angle as a control parameter. We quantify the effect of chirality through a lifetime-based dissymmetry factor that reaches the 1 – 10% level, implying an enhancement of several orders of magnitude compared with the natural optical circular dichroism of both the molecule and TBG. The presented approach is conceptually distinct from schemes that rely on electromagnetic field engineering, and achieves sensitivities down to the single-molecule layer without requiring surface functionalization. This opens the door to developing a platform with tunable, strong chiral light–matter interactions with implications in optics, sensing, and chemistry, including chiral catalysis and homochiral synthesis. (Català) Els materials bidimensionals (2D) proporcionen una plataforma potent per a l’enginyeria a nanoescala i el control de la geometria i dels entorns energètics sense modificar directament el material, a causa de la seva naturalesa interfacial. Aquesta tesi explora com podem aprofitar aquest potencial mitjançant l’enginyeria en el pla en heteroestructures de van der Waals. Presentem dos casos d’estudi: en un, es redueix la dimensionalitat de l’excitó utilitzant una trampa electrostàtica 1D; en l’altre, s’obté una configuració quiral en rotar una monocapa respecte d’una altra, cosa que modifica la interacció amb altres sistemes quirals. En conjunt, aquestes dues parts demostren com el trencament de la simetria en el pla (simetria translacional i simetria especular, respectivament) en les plataformes de materials 2D habilita noves oportunitats de control i detecció. En la primera part, investiguem el confinament electrostàtic d’excitons en MoSe2. S’indueix una unió p–i–n a la monocapa mitjançant elèctrodes asimètrics, creant un potencial 1D estret amb una longitud efectiva de confinament d’excitons de fins a 10nm. Combinant la fotoluminescència i l’espectroscòpia de contrast de reflectància, mesurem un espectre discret corresponent als estats localitzats que sorgeixen de la quantització del centre de masses, amb polarització lineal alineada amb la geometria del potencial, d’acord amb les interaccions d’intercanvi vall–vall intensificades pel confinament. De manera rellevant per al desenvolupament d’aquesta tècnica, demostrem que el potencial de confinament no es pot entendre com un efecte purament electrostàtic. La il·luminació reconfigura el funcionament del dispositiu induïnt el fotodopatge degut a la dissociació d’excitons i l’extracció de càrrega assistida per mecanismes d’Auger, estabilitzant així una configuració p–i–n funcional. Observem dinàmiques de redistribució de portadors en una escala de segons i demostrem que la seva dependència amb la posició d’excitació produeix un canvi abrupte entre respostes excitòniques confinades i no confinades. Una descripció mitjançant equacions de velocitat captura la competència entre els processos de dissociació i d’Auger, posant de manifest una via per al control òptic no local de la densitat de portadors i, en conseqüència, del potencial de confinament. Aconseguir potencials excitònics programables que assoleixin el límit 0D podria habilitar tecnologies quàntiques com fonts de fotó únic o qubits òptics, i obrir una via cap a interaccions excitó–excitó fortes i física de Bose–Hubbard. En la segona part, aprofitem la quiralitat estructural del grafè bicapa rotat (TBG) per dur a terme una nova estratègia de detecció enantiomèrica basada en transferència d’energia no radiativa dependent de la quiralitat. En presència del TBG, la freqüència de decaïment de fluoròfors quirals es modifica en funció de la quiralitat relativa entre molècula i substrat, cosa que mesurem a través del temps de vida de fluorescència. L’asimetria observada es comprova estadísticament escanejant espacialment el contrast enantioselectiu, observant una inversió de signe en invertir la quiralitat del TBG i explorant el paper de l’angle de rotació com a paràmetre de control. Quantifiquem l’efecte de la quiralitat mitjançant un factor de dissimetria basat en el temps de vida que arriba a valors de 1 – 10%, la qual cosa implica una millora de diversos ordres de magnitud respecte al dicroisme circular natural tant de la molècula com del TBG. L’enfoc presentat és conceptualment diferent dels esquemes basats en enginyeria de camps electromagnètics, i assoleix sensibilitats de fins a una sola capa molecular sense necessitat de funcionalitzar la superfície. Això obre la porta al desenvolupament d’una plataforma amb interaccions quirals llum–matèria fortes i sintonitzables, amb implicacions en òptica, detecció i química, incloent la catàlisi i la síntesi homoquiral. (Español) Los materiales bidimensionales (2D) proporcionan una potente plataforma para la ingeniería a nanoescala y el control de la geometría y los entornos energéticos sin modificar directamente el material, debido a su naturaleza interfacial. Esta tesis explora cómo podemos aprovechar este potencial a través de la ingeniería en el plano en heteroestructuras de van der Waals. Presentamos dos casos de estudio: en uno, se reduce la dimensionalidad del excitón utilizando una trampa electrostática 1D; en el otro, se obtiene una configuración quiral rotando una monocapa con respecto a otra, lo que modifica la interacción con otros sistemas quirales. En conjunto, estas dos partes demuestran cómo la ruptura de la simetría en el plano (simetría traslacional y simetría especular, respectivamente) en las plataformas de materiales 2D habilita nuevas oportunidades de control y detección. En la primera parte, investigamos el confinamiento electrostático de excitones en MoSe2. Se induce una unión p–i–n en la monocapa mediante electrodos asimétricos, creando un estrecho potencial 1D con una longitud efectiva de confinamiento de excitones de hasta 10nm. Combinando la fotoluminiscencia y la espectroscopia de contraste de reflectancia, medimos un espectro discreto correspondiente a los estados localizados que surgen de la cuantización del centro de masas, con polarización lineal alineada con la geometría del potencial, en consonancia con las interacciones de intercambio valle–valle intensificadas por el confinamiento. De manera relevante para el desarrollo de esta técnica, demostramos que el potencial de confinamiento no puede entenderse como un efecto puramente electrostático. La iluminación reconfigura el funcionamiento del dispositivo al inducir el fotodopaje debido a la disociación de excitones y la extracción de carga asistida por mecanismos de Auger, estabilizando así una configuración p–i–n funcional. Observamos dinámicas de redistribución de portadores en una escala de segundos y demostramos que su dependencia con la posición de excitación produce un cambio abrupto entre respuestas excitónicas confinadas y no confinadas. Una descripción mediante ecuaciones de velocidad captura la competencia entre los procesos de disociación y Auger, poniendo de manifiesto una vía para el control óptico no local de la densidad de portadores y, en consecuencia, del potencial de confinamiento. Conseguir potenciales excitónicos programables que alcancen el límite 0D podrían habilitar tecnologías cuánticas como fuentes de fotón único o qubits ópticos, y abrir una vía hacia interacciones excitón–exciton fuertes y física de Bose–Hubbard. En la segunda parte, aprovechamos la quiralidad estructural del grafeno bicapa rotado (TBG) para realizar una nueva estrategia de detección enantiomérica basada en transferencia de energía no radiativa dependiente de la quiralidad. En presencia del TBG, la frecuencia de decaimiento de fluoróforos quirales se modifica en función de la quiralidad relativa entre entre molécula y sustrato, lo que medimos a través del tiempo de vida de fluorescencia. La asimetría observada se comprueba estadísticamente escaneando espacialmente el contraste enantioselectivo, observando una inversión de signo al invertir la quiralidad del TBG y explorando el papel del ángulo de rotación como parámetro de control. Cuantificamos el efecto de la quiralidad mediante un factor de disimetría basado en el tiempo de vida que alcanza valores de 1 – 10%, lo que implica una mejora de varios órdenes de magnitud respecto la dicroísmo circular natural tanto de la molécula como del TBG. El enfoque presentado es conceptualmente distinto de los esquemas basados en ingeniería de campos electromagnéticos, y alcanza sensibilidades de hasta una sola capa molecular sin necesidad de funcionalizar la superficie. Esto abre la puerta al desarrollo de una plataforma con interacciones quirales luz–materia fuertes y sintonizables, con implicaciones en catálisis y síntesis homoquiral.