[論文レビュー] Broadband pump-probe study of biexcitons in chemically exfoliated layered WS$_{2}$

Rup Kumar Chowdhury, Snehasish Nandy+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

2D Materials and Applications参考文献 59被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、室温下における化学的エキスパンションで得られたモノレイヤーからクアッドレイヤーのWS₂における超高速励起子ダイナミクスを、ブロードバンドフェムト秒ポンププローブ分光法を用いて調査した。実験的に、理論と非常に良好に一致する~69 meV (AA)および~66 meV (BB)の結合エネルギーを有するバイエキシトンの存在を確認し、励起子およびバイエキシトンの非放射的および放射的寿命に顕著な差を示した。これは、オプトエレクトロニクス素子にとって室温安定性が重要であることを示している。

ABSTRACT

Strong light-matter interactions in layered transition metal dichalcogenides (TMDs) open up vivid possibilities for novel exciton-based devices. The optical properties of TMDs are dominated mostly by the tightly bound excitons and more complex quasiparticles, the biexcitons. Instead of physically exfoliated monolayers, the solvent-mediated chemical exfoliation of these 2D crystals is a cost-effective, large-scale production method suitable for real device applications. We explore the ultrafast excitonic processes in WS$_{2}$ dispersion using broadband femtosecond pump-probe spectroscopy at room temperature. We detect the biexcitons experimentally and calculate their binding energies, in excellent agreement with earlier theoretical predictions. Using many-body physics, we show that the excitons act like Weiner-Mott excitons and explain the origin of excitons via first-principles calculations. Our detailed time-resolved investigation provides ultrafast radiative and non-radiative lifetimes of excitons and biexcitons in WS$_{2}$. Indeed, our results demonstrate the potential for excitonic quasiparticle-controlled TMDs-based devices operating at room temperature.

研究の動機と目的

• 化学的エキスパンションで得られたWS₂における室温下での超高速励起子およびバイエキシトンダイナミクスを調査すること。
• モノレイヤーからクアッドレイヤーのWS₂におけるバイエキシトンの存在を実験的に確認し、その結合エネルギーを測定すること。
• 時間分解分光法を用いて、励起子およびバイエキシトンの放射的および非放射的再結合寿命を特定すること。
• 多体相互作用および短距離クーロン力が2次元WS₂における励起子行動をどのように規定しているかを明らかにすること。
• 第一原理計算による理論的予測の妥当性を検証し、バイエキシトン結合エネルギーおよび励起子形成メカニズムを検証すること。

提案手法

• 時間分解吸光度（TAS）ダイナミクスを測定するために、405 nmポンプおよび350–750 nmのホワイトライトプローブを用いたブロードバンドフェムト秒ポンププローブ分光法を採用した。
• 時間分解TAS信号を分解するため、200 fsの装置応答関数（IRF）を用いてデコンボリューション処理を実施した。
• TASデータを三成分指数関数的減衰モデルでフィッティングし、非放射的（T₁, T₂）および放射的（T₃）再結合過程を分離した。
• バンド簡約性、スピン軌道結合効果、およびA、B、C励起子の起源を分析するために密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 多体相互作用、特に励起子冷却およびポンプパワー依存性の赤シフトと実験的ピークシフトを相関させた。
• ピークエネルギーのシフトからバイエキシトン結合エネルギーを計算し、理論的予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的エキスパンションで得られたモノレイヤーからクアッドレイヤーのWS₂に、室温下でバイエキシトンが存在するか？
• RQ2 化学的エキスパンションによるWS₂におけるAAおよびBBバイエキシトンの結合エネルギーは何か？また、理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 励起子およびバイエキシトンの放射的および非放射的寿命は、WS₂においてどのように異なっているのか？また、B励起子寿命に観察される異常は、何によって引き起こされるのか？
• RQ4 クーロンスクリーニングやパウリ障害などの多体相互作用が、励起子準粒子の超高速ダイナミクスをどのように規定しているか？
• RQ5 励起状態吸光（ESA）およびバイエキシトン遷移の存在が、WS₂における放射的再結合ダイナミクスにどのように影響を与えているか？

主な発見

• 化学的エキスパンションで得られたWS₂におけるバイエキシトンは、実験的に確認され、結合エネルギーは~69 meV (AA)および~66 meV (BB)であり、理論的予測と非常に良好に一致した。
• AおよびC励起子の放射的寿命はナノ秒オーダーであったが、B励起子の放射的寿命は、ESAおよびBBバイエキシトン状態との強い結合のため、著しく短縮され、~300 psにまで低下した。
• 非放射的再結合成分（T₁およびT₂）は、すべての励起子およびバイエキシトン状態において類似しており、欠陥状態を通じる共通の緩和経路を示唆している。
• ポンプパワー依存性の赤シフト（AA: ~90 meV、BB: ~80 meV）は、クーリング粒子間の多体相互作用に起因する。
• 励起子冷却は、BBバイエキシトンピークに~90 meVのブルーシフトを引き起こし、熱的緩和が準粒子の進化に果たす役割を確認した。
• 第一原理DFT計算により、モノレイヤーからクアッドレイヤーにわたるKおよびK′点におけるスピン軌道結合およびバンド簡約性が保持されていることが確認され、短距離クーロン相互作用に基づくウィーナー＝モット励起子に類似したA、B、C励起子の形成を支持した。