[論文レビュー] Electrical Control of Truly Two-Dimensional Neutral and Charged Excitons in a Monolayer Semiconductor

Jason Ross, Sanfeng Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2012

2D Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、フィールド効果トランジスタを用いて、モノレイヤーMoSe₂における中性(X⁰)および荷電(X⁺, X⁻)励起子の静電的制御を実証した。30 meVの大きな充電エネルギーと55 K未満で5 meVの狭い線幅を達成し、真に二次元的な半導体系において強い多体効果と高い分光コントラストが示された。

ABSTRACT

Monolayer group VI transition metal dichalcogenides have recently emerged as semiconducting alternatives to graphene in which the true two-dimensionality (2D) is expected to illuminate new semiconducting physics. Here we investigate excitons and trions (their singly charged counterparts) which have thus far been challenging to generate and control in the ultimate 2D limit. Utilizing high quality monolayer molybdenum diselenide (MoSe2), we report the unambiguous observation and electrostatic tunability of charging effects in positively charged (X+), neutral (Xo), and negatively charged (X-) excitons in field effect transistors via photoluminescence. The trion charging energy is large (30 meV), enhanced by strong confinement and heavy effective masses, while the linewidth is narrow (5 meV) at temperatures below 55 K. This is greater spectral contrast than in any known quasi-2D system. We also find the charging energies for X+ and X- to be nearly identical implying the same effective mass for electrons and holes.

研究の動機と目的

• 真に二次元的な極限におけるモノレイヤー半導体における中性および荷電励起子の存在と静電的チューニング可能性を調査すること。
• 真に二次元的系において励起子およびトリオンを生成・制御する課題を克服すること。
• 高品質なモノレイヤーMoSe₂における励起子状態の充電エネルギーおよび線幅を測定し、基本的多体物理学を明らかにすること。
• X⁺およびX⁻トリオンの充電エネルギーを比較することで、電子およびホールの有効質量を特定すること。

提案手法

• フィールド効果トランジスタ構造の半導体チャネルとして、高品質なモノレイヤージルコニウムジセレナイド(MoSe₂)を用いた。
• キャリア密度をチューニングし、励起子およびトリオンの充電状態を制御するために静電的ゲーティングを適用した。
• 中性および荷電励起子状態の発光スペクトルをプローブするために、光励起分光法を用いた。
• 55 K未満での線幅および分光コントラストを評価するために、温度依存測定を実施した。
• 光励起分光ピークのシフトおよび幅から、充電エネルギーおよび線幅を抽出した。
• X⁺およびX⁻トリオンピーク位置の比較により、電子およびホールの有効質量の推定が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真に二次元的なモノレイヤー半導体において、中性および荷電励起子を明確に観測し、静電的にチューニング可能か？
• RQ2 静電的制御下におけるモノレイヤーMoSe₂におけるX⁰、X⁺、X⁻励起子状態の充電エネルギーおよび線幅は何か？
• RQ3 強い電子-ホール閉じ込めおよび有効質量は、2次元系における励起子の分光的性質にどのように影響するか？
• RQ4 対称的なトリオン充電エネルギーから示唆されるように、モノレイヤーMoSe₂における電子およびホールの有効質量は同等か？

主な発見

• モノレイヤーMoSe₂におけるトリオン(X⁺およびX⁻)の充電エネルギーは30 meVに達し、強い多体効果および強化されたクーロン相互作用を示している。
• 55 K未満の温度でトリオン発光の線幅はわずか5 meVにまで狭くなり、高い分光純度を示している。
• 大きなエネルギー差と狭い線幅のおかげで、中性および荷電励起子の分光コントラストは、既知のいかなる準二次元系よりも顕著である。
• X⁺およびX⁻トリオンの充電エネルギーはほぼ同一であり、モノレイヤーMoSe₂における電子およびホールの有効質量が非常に類似していることを示唆している。
• ゲート電圧の静電的チューニングにより、中性および荷電励orrisの分布およびエネルギー準位が明確に制御可能である。
• 本結果により、モノレイヤーMoSe₂が真に二次元的極限においても強固で電気的にチューナブルな励起子状態を支持することが確認された。