[論文レビュー] Active Control of Coherent Dynamics in Hybrid Plasmonic MoS<sub>2</sub> Monolayers with Dressed Phonons

Yuba Poudel, Gary N. Lim+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2018

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2.33 eVで局在表面プラズモン（LSP）を共鳴励起するように光学励起を調整することにより、ハイブリッドプラズモニックなMoS2モノレイヤーにおけるコherentな励起子ダイナミクスの能動的制御を示した。これにより、フォノンモードと強い近接場結合が生じ、AおよびB励起子のコherentなドレスティングが可能になった。主な結果として、プラズモン共鳴がラマンモードを強化し、励起子結合エネルギーを変調する一方で、3.06 eVでの非共鳴励起はC励起子の解離を促進し、電荷キャリアに変換された後、強化された静電的スクリーニングによりA/B励起子状態への迅速な緩和が実現された。

ABSTRACT

The near-field interaction due to a strong electromagnetic field induced by resonant-localized plasmons can result in a strong coupling of excitonic states or the formation of hybrid exciton–plasmon modes in quantum confined structures. The strength of this coupling can be increased by designing a system with its vibronic states resonant to the energy of the driving field induced by the localized plasmon excitation. Silver (Ag) nanoparticles (NPs) nucleated on molybdenum disulfide (MoS<sub>2</sub>) is an ideal platform for such an interaction. The influence of localized plasmons (LSP) on the formation and dissociation of excitons due to resonant and off-resonant optical excitation of carriers to excitonic states is studied using ultrafast optical spectroscopy. The presence of Ag-NPs generates a local field that enhances the magnitude of the Raman modes in MoS<sub>2</sub> under the resonant plasmon excitation. An ultrashort pulsed optical excitation at ∼2.3 eV resonantly excites the LSP modes and the optical near-field resonantly drives the phonon modes, which leads to a coherent coupling of the A and B excitons in MoS<sub>2</sub> with the plasmon modes. The localized near-field optical driving source induces dressed vibronic states. The resonant excitation of the LSP modes modulates the optical absorption of the probe field. The optical excitation at ∼3.0 eV, which is resonant to the C excitonic state, but off-resonant to the LSP modes, increases the electrostatic screening in the presence of excess carriers from Ag-NPs. It results in a faster dissociation of optically generated C excitons into free carriers that eventually increases the population of A and B excitonic states. The coherent interaction in the hybrid nanoplasmonic system is described using a density matrix theory.

研究の動機と目的

• Agナノ粒子上のMoS2モノレイヤーにおける局在表面プラズモンが、近接場相互作用を通じてコherentな励起子ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 共鳴励起と非共鳴励起の両方が、励起子形成、解離、緩和経路に与える役割を明らかにすること。
• プラズモン共鳴およびC励起子共鳴におけるチューナブルな光学励起を用いた、励起子状態の能動的制御を実証すること。
• プラズモン誘起近接場がフォノンモード結合および励起子結合エネルギーのシフトに与える影響を定量すること。
• 観測された一時的吸光ダイナミクスを捉える密度行列モデルの構築

提案手法

• 100 fsパルスを用いた超短パルスプローブ透過吸光分光法により、1ピコ秒未満の時間スケールで励起子ダイナミクスをモニタリング。
• 2つのパルス波長の使用：2.33 eV（Agナノ粒子の局在表面プラズモンと共鳴）および3.06 eV（MoS2におけるC励起子状態と共鳴）。
• 時間遅れ関数としての差分吸光（ΔA）を、励起子領域全体にわたって帯域幅広い白色光プローブを用いて測定。
• 化学気相成長（CVD）を用いた高品質なモノレイヤーMoS2の作製後、10 nmのAg膜を堆積し、熱アニール処理によりAgナノ島を形成。
• プラズモンモード、A/B励起子、フォノンの間のコherent結合を記述する密度行列理論モデルの適用。
• 共鳴プラズモン励起下でのラマンモード強化およびバンドギャップ縮小効果の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2.33 eVでの局在表面プラズモンの共鳴励起が、MoS2におけるA/B励起子とフォノンモードのコherent結合にどのように影響するか？
• RQ2 Agナノ粒子からの近接場強化が、ラマン応答および励起子緩和経路をどのように変化させるか？
• RQ3 C励起子状態と共鳴する3.06 eVでの非共鳴励起が、Agナノ粒子存在下でのキャリアダイナミクスおよび励起子解離に与える影響は何か？
• RQ4 Agナノ粒子の存在が静電的スクリーニングをどれほど強化し、C励起子がA/B励起子状態への緩和をどれほど加速するか？
• RQ5 プラズモンとフォノンのコherent相互作用から生じるドレストフォノニック状態はどのように形成され、励起子結合エネルギーにどのような影響を及えるか？

主な発見

• Agナノ粒子の局在表面プラズモンエネルギーと一致する2.33 eVでの共鳴励起により、強い近接場結合に起因してMoS2のラマンモードが強化された。
• プラズモンモードとA/B励起子のコherent結合により、励起子バンド間のエネルギー間隔が顕著に減少し、励起子結合エネルギーが変化していることが示された。
• 3.06 eVでの励起により、Agナノ粒子内の過剰キャリアに起因する静電的スクリーニングの強化により、C励起子の解離が促進され、その後AおよびB励起子状態への迅速な緩和が観察された。
• 両励起条件下で過剰キャリアに起因するバンドギャップ縮小により、励起子吸光帯が赤方シフトした。
• 一時的吸光応答から、励起子ダイナミクスが数フェムト秒以内に変化し、デコherence時間は数ピコ秒のオーダーであることが明らかになった。
• 単純な密度行列モデルが観測された一時的吸光特徴を定性的に再現でき、本系におけるコherentなプラズモン-励起子-フォノン結合の役割を裏付けた。