Kurzfassung
Diese kumulative Dissertation präsentiert ein umfassendes ab initio-Framework zur Untersuchung von Vielteilchen-Anregungszuständen in zweidimensionalen Übergangs-metall-Dichalkogeniden und deren Heterostrukturen, durch Kombination von Dichtefunktionaltheorie und Konfigurationswechselwirkungsmethoden. Die entwickelte Methodik erfasst subtile Fermion-Fermion-Wechselwirkungen, die exzitonartige Komplexe verursachen, und ermöglicht hochpräzise Vorhersagen der optischen Eigenschaften zweidimensionaler Materialien.
Die erste Studie konzentriert sich auf Monolayer WSe₂, wobei die Existenz negativ geladener Trionen gezeigt wird, die das Q-Valley des Leitungsbands besetzen. Diese Q-Valley-Trionen sind energetisch günstiger als ihre herkömmlichen K-Valley-Äquivalente und weisen verstärkte Singlet-Triplet-Aufspaltungen auf, was neue Einblicke in die Valley-abhängigen optischen Eigenschaften dieser Materialklasse liefert.
Darauf aufbauend untersucht die zweite Studie zweilagige Janus-Übergangs-metall-Dichalkogenid-Heterostrukturen, wie MoSSe–WSSe und WSSe–WSSe. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die intrinsische strukturelle Asymmetrie und Grenz-flächen-induzierte Polarisation die Bildung spin-erlaubter Interlagen-Exzitonen und Trionen im Grundzustand ermöglichen. Im Gegensatz dazu liegen in konventionellen Bilagen spin-verbotene Zustände vor. Darüber hinaus bieten externe Dehnung und Kompression zusätzliche Möglichkeiten, die optische Helligkeit und Eigenschaften dieser Interlagen-Zustände gezielt zu steuern, wodurch eine präzise Kontrolle der Optoelektronik möglich wird.
Abschließend werden komplexere Heterostrukturen untersucht, indem die schwach van-der-Waals gebundenen Bilagen gegeneinander verdreht werden, wodurch ein Moire-Muster entsteht. Zur Untersuchung selbiger Strukturen wurde ein verallgemeinertes Kraftfeld entwickelt, das die optimale Geometrie des Systems findet. Durch optimierte Parameterisierung via ab initio Methoden reproduziert dieser Ansatz die atomare Rekonstruktion insbesondere bei kleinen Drehwinkeln. Diese relaxierten Strukturen zeigen signifikante Veränderungen der Potentiallandschaft zwischen den Schichten, was die Bedeutung von Atomverschiebungen innerhalb der Lage und zwischen beiden Lagen für die Exzitonenlokalisierung unterstreicht.
Gemeinsam bilden diese theoretischen Studien eine vielseitige Plattform zur Erforschung und Steuerung von Vielteilchen-Phänomenen in 2D-Materialien. Die gewonnenen Erkenntnisse zu Valley-Physik, Interlagen-Exzitonen und struktureller Relaxation bilden die Grundlage für zukünftige Strategien zur Gestaltung maßgeschneiderter optoelektronischer, Valleytronik- und Quantengeräten auf Basis von geschichteten zweidimensionalen Heterostrukturen.
This cumulative thesis presents a comprehensive ab initio framework for investigating many-body excited states in two-dimensional transition metal dichalcogenides and their heterostructures, combining density functional theory and advanced configuration interaction methods. The developed methodology captures subtle fermion-fermion interactions manifesting as excitonic complexes, enabling highly accurate predictions of optical properties. The first study focuses on monolayer WSe₂, where many-body screened configuration interaction calculations reveal the existence of negatively charged trions involving the Q-valley of the conduction band. These Q-valley trions are energetically more favorable than their conventional K-valley counterparts and exhibit increased singlet-triplet splittings, providing new insights into valley-dependent optical features consistent with experimental observations. Building on this, the second investigation examines bilayer Janus transition metal dichalcogenide heterostructures, such as MoSSe–WSSe and WSSe–WSSe. The results show that intrinsic structural asymmetry and interface-induced polarization enable spin-allowed interlayer exciton and trion ground states, contrasting with the spin-forbidden states typical of conventional bilayers. Furthermore, the application of external strain offers additional means to tune the optical brightness and properties of these interlayer states, opening pathways for precise control in optoelectronic applications. Lastly, more complex heterostructures are investigated, which are constructed by introducing a twist in the loosely van der Waals bound bilayers. To this extent, a generalized force-field relaxation scheme tailored for large moiré heterostructures is developed. By optimized parameterization against first principles calculations, this approach accurately reproduces atomic reconstructions for both commensurate and incommensurate systems, especially at small twist angles. These relaxed structures reveal significant modifications of the interlayer potential landscape, emphasizing the importance of in-plane and out-of-plane atomic displacements on excitonic confinement and localization. Together, these studies establish a versatile and predictive computational platform for exploring and engineering many-body phenomena in 2D materials. The insights gained into valley physics, interlayer excitonics, and structural relaxation underpin future strategies for designing tailored optoelectronic, valleytronic, and quantum devices based on layered two-dimensional heterostructures.