Projekt NCN OPUS 21 (2022 - 2027)

Epitaksjalne heterostruktury niskowymiarowe zbudowane z chalkogenków o różnej wymiarowości: 2D i 3D.

kierownik: dr hab. Wojciech Pacuski, prof. UW

Link do informacji o projekcie w bazie NCN

Popularnonaukowe streszczenie projektu

Projekt "Epitaksjalne heterostruktury niskowymiarowe zbudowane z chalkogenków o różnej wymiarowości: 2D i 3D" koncentruje się na badaniu stanów elektronowych w nowo wytworzonych nanostrukturach. Struktury te powstają w wyniku wzrostu kryształów metodą epitaksji z wiązek molekularnych (Molecular Beam Epitaxy, MBE).

W badaniach wykorzystujemy dwuwymiarowe (2D) materiały, jakimi są dichalkogenki metali przejściowych. Składają się one z atomów metali przejściowych, takich jak molibden czy wolfram, oraz atomów z VI grupy układu okresowego, takich jak selen, tellur lub siarka. Najciekawsze właściwości optyczne tych materiałów pojawiają się, gdy ich grubość ograniczona jest do pojedynczej monowarstwy – czyli jednej warstwy atomowej selenu, molibdenu i ponownie selenu. Dotychczas wysokiej jakości warstwy tego typu uzyskiwano głównie poprzez mechaniczne odrywanie ich od kryształów objętościowych. W naszym projekcie proponujemy jednak alternatywne podejście – wzrost epitaksjalny, który dzięki postępowi technologicznemu w hodowli dichalkogenków metali przejściowych staje się coraz bardziej efektywny. Co istotne, przełom w tej dziedzinie został osiągnięty niedawno przez kierownika projektu w laboratoriach, w których realizowane będą badania.

Do budowy nanostruktur wykorzystujemy także trójwymiarowe (3D) materiały, takie jak klasyczne chalkogenki – np. hodowany w naszym laboratorium metodą MBE ZnSe (selenek cynku). Materiały te wykazują tendencję do samoorganizacji w nanostruktury, na przykład w kropki kwantowe, które przy odpowiednich warunkach wzrostu mogą cechować się doskonałymi właściwościami optycznymi.

Połączenie chalkogenków 2D i 3D pozwala nam badać oddziaływania między nanostrukturami o różnej wymiarowości, co może prowadzić do odkrycia nowych zjawisk fizycznych i potencjalnych zastosowań w technologii przyszłości.

Aktualizacja pod koniec roku 2025. Udało się już nam wytowrzyć dziesiątki oryginalnych, nie opisywanych nigdy wcześniej struktur. Obecnie zajmujemy się opisywaniem ich właściwości fizycznych. Przykłady prac zawierających wyniki projektu:

   "Molecular beam epitaxy growth of cadmium telluride structures on hexagonal boron nitride",
A. K. Szczerba, J. Kucharek, J. Pawłowski, T. Taniguchi, K. Watanabe, W. Pacuski,
ACS Omega 8, 44745 (2023).  


   "WSe2 Monolayers Grown by Molecular Beam Epitaxy on hBN",
J. Kucharek, M. Raczynski, R. Bozek, A. Kaleta, B. Kurowska, M. Bilska, S. Kret, T. Taniguchi, K. Watanabe, P. Kossacki, M. Goryca, W. Pacuski,
Nano Letters 25, 17275 (2025).  

   "Magnetic field induced polarization enhancement in the photoluminescence of MBE-grown WSe2 layers",
M. C. Kuna, M. Raczyński, J. Kucharek, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Kazimierczuk, W. Pacuski, P. Kossacki,
Solid State Commun. 409, 116263 (2026).  

   "Photoluminescence efficiency of MBE-grown MoSe2 monolayers featuring sharp excitonic lines and diverse grain structures",
M. Raczyński, J. Kucharek, K. Oreszczuk, A. Rodek, T. Kazimierczuk, R. Bożek, T. Taniguchi, K. Watanabe, W. Pacuski, P. Kossacki,
Journal of Luminescence 288, 121576 (2025).  

   "The single ion of Vanadium in an individual Quantum Dot ",
K. E. Połczyńska, T. Kazimierczuk, P. Kossacki, W. Pacuski,
Phys. Rev. B 111, 085428 (2025).  

   "Short excitonic lifetimes of MoSe2 monolayers grown by molecular beam epitaxy on the hexagonal boron nitride",
K. Oreszczuk, W. Pacuski, A. J. Rodek, M. Raczynski, T. Kazimierczuk, K. Nogajewski, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. Potemski, P. Kossacki,
2D Materials 11, 025029 (2024).  

   "Molecular Beam Epitaxy Growth of Transition Metal Dichalcogenide (Mo,Mn)Se2 on 2D, 3D and polycrystalline substrates",
J. Kucharek, R. Bożek, W. Pacuski,
Materials Science in Semiconductor Processing 163, 107550 (2023).  

   "Coherent imaging and dynamics of excitons in MoSe2 monolayers epitaxially grown on hexagonal boron nitride",
K. E. Połczyńska, S. Le Denmat, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. Potemski, P. Kossacki, W. Pacuski, J. Kasprzak,
Nanoscale 15, 6941 (2023).   ,

   "Molecular Beam Epitaxy growth of MoTe2 on Hexagonal Boron Nitride",
B. Seredyński, R. Bożek, J. Suffczyński, J. Piwowar, J. Sadowski, W. Pacuski,
Journal of Crystal Growth 596, 126806 (2022).  

Więcej publikacji, w tym takie w których wkład projektu polegał na udziale w wytworzeniu próbek, można znaleźć na stronie projektu w NCN

Nasze prezentacje w roku 2025:

1. Referat zaproszony na OPON 2025, 8th INTERNATIONAL WORKSHOP ON THE OPTICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURES, University of Münster, 12-14 February 2025, "Spectroscopy and epitaxy of 2D materials on hBN".
2. Prezentacja ustna na OECS 2025, 8th INTERNATIONAL WORKSHOP ON THE OPTICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURES, University of Münster, 12-14 February 2025, J. Kucharek, M. Raczyński, R. Bożek, M. Bilska, A. Kaleta, B. Kurowska, S. Kret, T. Taniguchi, K. Watanabe, P. Kossacki, M. Goryca, W. Pacuski (prelegent), "Multi-particle Excitonic Systems in WSe2 Grown on hBN by Molecular Beam Epitaxy".
6. Plakat na 53rd International School & Conference on the Physics of Semiconductors, "Jaszowiec 2025" Szczyrk, Poland, czerwiec 2024, A. K. Szczerba, B. Tronowicz, J. Kucharek, R. Bożek, T. Taniguchi, K. Watanabe, P. Wojnar, W. Pacuski "MBE grown MoSe2 heterostructures with selenium compounds: Se, MgSe, ZnSe, InSe".

Nasze prezentacje w roku 2024:

1. Referat zaproszony na 3rd OPERA COST Action International Training School "Physical Principles and Theory of Advanced Epitaxial Growth Methods and Devices", University of Cyprus, Nicosia, Cyprus, September 2024, W. Pacuski, "Epitaxial Growth of 2D Materials".
2. Referat zaproszony na E-MRS 2024 FALL MEETING, Warszawa, Polska, 16.-19.9.2024 W. Pacuski, "Exfoliated and MOCVD h-BN as an excellent substrate for the epitaxy of 2D materials".
3. Prezentacja ustna na E-MRS 2024 FALL MEETING, Polska, 16.-19.9.2024, A. Szczerba, B. Tronowicz, J. Kucharek, T. Taniguchi, K. Watanabe, and W. Pacuski, "Optical Properties of MoSe2 in Heterostructures with MgSe/ZnSe Grown by Molecular Beam Epitaxy".
4. Prezentacja ustna na 36th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS) Ottawa, sierpień 2024, A. K. Szczerba, B. Tronowicz, J. Kucharek, T. Taniguchi, K. Watanabe, W. Pacuski, "MoSe2 as an epitaxial quantum well with asymmetric MgSe and hBN barriers". v
5. Prezentacja ustna na ICMBE (The 23rd International Conference on Molecular Beam Epitaxy), wrzesień 2024, Matsue, Japonia, J. Kucharek, M. Raczyński, R. Bożek, S. Kret, T. Taniguchi, K. Watanabe, "P. Kossacki, M. Goryca, W. Pacuski "A Multi-particle Excitonic Systems in WSe2 Grown on hBN by Molecular Beam Epitaxy".
6. Plakat na 52nd International School & Conference on the Physics of Semiconductors, "Jaszowiec 2024" Szczyrk, Poland, czerwiec 2024, A. K. Szczerba, B. Tronowicz, J. Kucharek, T. Taniguchi, K. Watanabe, W. Pacuski "Optical Properties of MoSe2 in Heterostructures with MgSe/ZnSe Grown by Molecular Beam Epitaxy".
7. Plakat na The 7th International Workshop on the Optical Properties of Nanostructures (OPON2024), Wrocław, luty 2024, A. Szczerba, J. Kucharek, J. Pawłowski, T. Taniguchi, K. Watanabe, W. Pacuski, "MBE growth of CdTe structures on hBN".
8. Plakat na The 12th International Conference on Quantum Dots, Monachium, Marzec 2024, K. E. Połczynska, T. Kazimierczuk, P. Kossacki, W. Pacuski, "Single ion of Vanadium in a Quantum Dot".