[論文レビュー] Efficient phonon cascades in hot photoluminescence of WSe$_2$ monolayers

Ioannis Paradisanos, Gang Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

2D Materials and Applications参考文献 63被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、モノレイヤーWSe2における高温光励起発光において、効率的なフォノンカスケードが明らかになった。光励起されたキャリアが、主にΛ-バルレーにおける伝導帯内の中間状態を通る逐次的フォノン補助遷移を経て、約15 meVの周期で分離した発光ピークを示す。観察されたカスケードは、時間分解法では測定できない初期段階のキャリア緩和を説明するものであり、フォトダイオードやレーザーを含む高速オプトエレクトロニクス素子への応用に意義を持つ。

ABSTRACT

Energy relaxation of photo-excited charge carriers is of significant fundamental interest and crucial for the performance of monolayer (1L) transition metal dichaclogenides (TMDs) in optoelectronics. We measure light scattering and emission in 1L-WSe$_2$ close to the laser excitation energy (down to~$\sim$0.6meV). We detect a series of periodic maxima in the hot photoluminescence intensity, stemming from energy states higher than the A-exciton state, in addition to sharp, non-periodic Raman lines related to the phonon modes. We find a period $\sim$15meV for peaks both below (Stokes) and above (anti-Stokes) the laser excitation energy. We detect 7 maxima from 78K to room temperature in the Stokes signal and 5 in the anti-Stokes, of increasing intensity with temperature. We assign these to phonon cascades, whereby carriers undergo phonon-induced transitions between real states in the free-carrier gap with a probability of radiative recombination at each step. We infer that intermediate states in the conduction band at the $Λ$-valley of the Brillouin zone participate in the cascade process of 1L-WSe$_2$. The observations explain the primary stages of carrier relaxation, not accessible so far in time-resolved experiments. This is important for optoelectronic applications, such as photodetectors and lasers, because these determine the recovery rate and, as a consequence, the devices' speed and efficiency.

研究の動機と目的

• 光励起後に発生するモノレイヤーWSe2におけるホットキャリアのエネルギー緩和経路を調査すること。
• 標準的な励起子再結合を超えるキャリア緩和を媒介するフォノン補助遷移の役割を特定すること。
• 励起エネルギー付近に観察された周期的高温光励起発光ピークの微視的起源を同定すること。
• 特にΛ-バルレーを含む特定のバルレーの寄与がカスケード過程に与える影響を確立すること。
• 観察されたフォノンカスケードが、フォトダイオードやレーザーを含む2次元オプトエレクトロニクス素子の性能限界とどのように関連するかを明らかにすること。

提案手法

• 弱い光励起発光および散乱信号を検出するため、0.6 meV未満の超低周波数カットオフ（ULF）ラマン分光法を用いた。
• SiO2/Si、hBN、Au、およびアンダーフォーストの基板上に形成された1L-WSe2を用い、78 Kから室温までの温度範囲で高温PLおよびラマン分光スペクトルを測定した。
• ストークスおよびアンチストークス領域に一貫したエネルギー間隔（~15.42 ± 0.08 meV）を示す周期的ピークを同定した。
• フォノン放出および吸収を組み込んだ、自由キャリアギャップ内の実状態間のフォノン補助遷移の運動論モデルを適用した。
• フォノン占有状態に依存する放出確率を考慮した、フォノンドレッシング状態を介したキャリアの集団的ダイナミクスを記述する段階的レート方程式モデルを用いた。
• 間隔値散乱によるK/K'バルレー間遷移と自由キャリアカスケードの両方を検討し、温度依存的強度解析により間隔値散乱経路を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1L-WSe2における励起エネルギー付近に観察された周期的高温光励起発光ピークの原因は何か？
• RQ2 これらの周期的特徴は、伝導帯内の実中間状態間のフォノン補助遷移に起因するか？
• RQ3 ブリユアンゾーン内のどのバルレー（Γ、K、Λ）がフォノンカスケード過程において主に関与しているか？
• RQ4 温度はフォノンカスケードピークの強度および可視性にどのように影響するか？
• RQ5 観察されたカスケードは自由キャリアモデルで説明可能か、それとも間隔値散乱が必要か？

主な発見

• 高温PLにおいて、7つの周期的ストークスピークと5つのアンチストークスピークが観察され、エネルギー間隔は~15.42 ± 0.08 meVで一貫していた。
• ピーク強度は温度上昇に伴い増加し、特にアンチストークス領域で顕著であった。これは、フォノン占有を伴うフォノン補助発光と整合的であった。
• Ij=1/Ij=2強度比の温度依存性が、ボルツマン因子exp(−ħΩ/kBT)に従うことが確認され、フォノン放出／吸収プロセスが裏付けられた。
• カスケード機構は、ブリルアンゾーンのΛ-バルレーにおける伝導帯内の中間状態を経るキャリア遷移に起因するとされた。
• 低温での振動的挙動の欠如により、K/K'バルレー間遷移を伴う間隔値散乱モデルは除外された。
• 観察されたフォノンカスケードは、従来の時間分解技術では測定できないキャリア緩和経路を提供し、1L-WSe2における初期段階のエネルギー緩和を説明する。