Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1 A Topical Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Advances in Functional Nanomaterials Sciences . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.1 Novel Material Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2.2 Material Engineering and Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.2.3 Optoelectronic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Entering a Two-Dimensional Materials World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 The Rise of the 2D Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Fundamentals of 2D Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Graphene and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Layered Systems Based on Monolayer Semiconductors . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Physics of Transition-Metal Dichalcogenide
Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Photonics and Optoelectronics of 2D Semiconductor TMDCs . . . . . 37
2.5.1 Strong Light–Matter Interaction and Lasing with 2D
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Light–Matter Interactions for Photonic Applications . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 Where Strong Interactions with Light Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Basics of Light–Matter Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Matter Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 Excitons as Composite Bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.2 Rich Exciton Physics in 2D Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Strong Exciton–Photon Coupling and Polariton Bose–
Einstein Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.1 Cavity–Polaritons Exposed to External Fields . . . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1 A Topical Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2 Advances in Functional Nanomaterials Sciences . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1 Novel Material Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.2 Material Engineering and Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.3 Optoelectronic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Entering a Two-Dimensional Materials World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 The Rise of the 2D Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Fundamentals of 2D Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Graphene and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Layered Systems Based on Monolayer Semiconductors . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Physics of Transition-Metal Dichalcogenide
Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Photonics and Optoelectronics of 2D Semiconductor TMDCs . . . . . 37
2.5.1 Strong Light–Matter Interaction and Lasing with 2D
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Light–Matter Interactions for Photonic Applications . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 Where Strong Interactions with Light Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Basics of Light–Matter Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Matter Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 Excitons as Composite Bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.2 Rich Exciton Physics in 2D Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Strong Exciton–Photon Coupling and Polariton Bose–
Einstein Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.1 Cavity–Polaritons Exposed to External Fields . . . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
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