[論文レビュー] Extraordinarily bound quasi-one-dimensional trions in two-dimensional phosphorene atomic semiconductors

Shuang Zhang, Renjing Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2014

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、その異方的で準一次元的（1次元的）な電子構造のおかげで、室温における少数層ブラックリンのトリオン結合エネルギーが非常に大きく（190 meV）、これが実現されたことを示している。強い結合は次元の低下と強化されたスクリーニングに起因し、強固で線形偏光を示す発光と電気的可変性のある光励起発光を可能にし、従来の1次元材料に比べて実用的なオプトエレクトロニクス的利点を有する2次元プラットフォームとして、1次元多体効果を研究するのに適している。

ABSTRACT

The anisotropic nature of the new two-dimensional (2D) material phosphorene, in contrast to other 2D materials such as graphene and transition metal dichalcogenide (TMD) semiconductors, allows excitons to be confined in a quasi-one-dimensional (1D) space predicted in theory, leading to remarkable phenomena arising from the reduced dimensionality and screening. Here, we report a trion (charged exciton) binding energy of 190 meV in few-layer phosphorene at room temperature, which is nearly one to two orders of magnitude larger than those in 2D TMD semiconductors (20-30 meV) and quasi-2D quantum wells (1-5 meV). Such a large binding energy has only been observed in truly 1D materials such as carbon nanotubes, whose optoelectronic applications have been severely hurdled by their intrinsically small optical cross-sections. Phosphorene offers an elegant way to overcome this hurdle by enabling quasi-1D excitonic and trionic behaviors in a large 2D area, allowing optoelectronic integration. We experimentally validated the quasi-1D nature of excitonic and trionic dynamics in phospherene by demonstrating completely linearly polarized light emission from excitons and trions. The implications of the extraordinarily large trion binding energy in a higher-than-one-dimensional material are far-reaching. It provides a room-temperature 2D platform to observe the fundamental many-body interactions in the quasi-1D region. The strong photoluminescence emission in phosphorene has been electrically tuned over a large spectral range at room temperature, which opens a new route for tunable light sources.

研究の動機と目的

• ブラックリンの異方的電子構造に起因する、2次元ブラックリンにおける強力に束縛された励起子状態およびトリオン状態の出現を調査すること。
• ブラックリンにおける準1次元的（1次元的）封じ込めが、カーボンナノチューブなどの真の1次元系と同等のトリオン結合エネルギーをもたらすかどうかを検討すること。
• 実験的にブラックリンにおけるトリオンが線形偏光を示す光励起発光を示すことで、その準1次元的性質を確認すること。
• ブラックリンが室温で低次元における多体相互作用を研究するための実用的で実現可能な2次元プラットフォームとしての可能性を確立すること。
• 大面積2次元半導体における強い安定したトリオン発光を活用し、電気的に調整可能な室温発光素子の実現を可能とすること。

提案手法

• 大気中条件下での少数層ブラックリンフラケの光励起スペクトルを実験的に測定すること。
• 偏光依存性発光の分析により、トリオンからの線形偏光発光を確認し、異方的で準1次元的封じ込めを示すこと。
• ブラックリンにおけるトリオン結合エネルギーを、2次元遷移金属ジ chalcogenides（TMD、20–30 meV）および準2次元量子井戸（1–5 meV）の値と比較すること。
• 角度分解光学分光法を用いて、励起子状態およびトリオン状態の異方的性質を調査すること。
• 室温における広帯域スペクトル範囲での光励起発光の電気的チューニングを評価すること。
• 次元の低下と準1次元領域における誘電スクリーニングの効果に起因する結合エネルギーの増強の起源を理論的モデリングにより解明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真の1次元材料と同等の結合エネルギーを持つ準1次元的トリオンが、ブラックリンのような2次元原子半導体で実現可能かどうか。
• RQ2 少数層ブラックリンにおけるトリオン結合エネルギーは室温でどの程度の大きさであり、他の2次元および準2次元系と比べてどう異なるか。
• RQ3 ブラックリンの異方的電子構造が、トリオンからの線形偏光発光を引き起こし、その準1次元的性質を実験的に確認できるか。
• RQ4 ブラックリンにおける強い安定なトリオン発光が、室温で広帯域にわたり電気的にチューニング可能かどうか。
• RQ5 このような大きな結合エネルギーが、低次元系における多体相互作用の研究にどのような意味を持つのか。

主な発見

• 少数層ブラックリンにおけるトリオン結合エネルギーは室温で190 meVに達し、2次元TMD半導体（20–30 meV）および準2次元量子井戸（1–5 meV）と比べて、1〜2桁も大きい。
• 観測されたトリオン発光は完全に線形偏光を示しており、実験的にブラックリンにおける励起子およびトリオンダイナミクスの準1次元的性質が裏付けられた。
• 強い結合エネルギーのおかげで、通常の2次元材料が示す弱い励起子効果の制限を克服し、室温でも強固な光励起発光が実現された。
• 室温で広帯域にわたり電気的にチューニング可能な光励起発光が実証され、チューナブル光源への応用が可能であることが示された。
• ブラックリンは、強い光学活性を示す準1次元的多体効果を支える2次元プラットフォームを提供し、カーボンナノチューブなどの従来の1次元材料に比べて優位性を有する。
• 本研究の結果は、ブラックリンが室温で準1次元領域における基本的多体相互作用を研究可能にし、従来の2次元材料では実現できなかった領域を新たに開拓したことを示している。