[論文レビュー] Identifying optical signatures of momentum-dark excitons in transition metal dichalcogenide monolayers

Jessica Lindlau, Cédric Robert+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

2D Materials and Applications被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、遷移金属ジ chalcogenide (TMD) モノレイヤーにおける未解明の光励起発光 (PL) ピークが、運動量黙示的励起子—片方が1つのバルクに、もう片方が別のバルクに電子が存在する励起子—のフォノン補助放射再結合に起因することを提案する。著者らは、これらの黙示的励起子の音響的および光学的フォノンサイドバンドをモデル化することで、実験的PLスペクトルに定量的な適合を達成し、TMDの光学的応答における長年の曖昧さを解消し、強度の高い未割り当てのピークが欠陥関連の特徴ではなく、運動量黙示的状態のレプリカであることを説明する。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers (MLs) exhibit rich photoluminescence spectra associated with interband optical transitions of direct-gap semiconductors. Upon absorption of photons, direct excitons with zero center-of-mass momentum are formed by photo-excited electrons in the conduction band and the respective unoccupied states in the valence band of the same valley. Different spin configurations of such momentum-direct excitons as well as their charged counterparts provide a powerful platform for spin-valley and microcavity physics in two-dimensional materials. The corresponding spectral signatures, however, are insufficient to explain the main characteristic peaks observed in the photoluminescence spectra of ML TMDs on the basis of momentum- extit{direct} excitons alone. Here, we show that the notion of momentum- extit{indirect} excitons is important for the understanding of the versatile photoluminescence features. Taking into account phonon-assisted radiative recombination pathways for electrons and holes from dissimilar valleys, we interpret unidentified peaks in the emission spectra as acoustic and optical phonon sidebands of momentum-dark excitons. Our approach will facilitate the interpretation of optical, valley and spin phenomena in TMDs arising from bright and dark exciton manifolds.

研究の動機と目的

• 遷移金属ジ chalcogenide (TMD) モノレイヤーの光励起発光 (PL) スペクトルにおける長年の曖昧さを解消すること、特に明るい励起子のみでは説明できない強度の高いピークが存在すること。
• 非ゼロの重心運動量を持つ運動量黙示的励起子—通常は放射遷移が禁じられているが、フォノンの補助によって遷移可能な励起子—の役割を調査すること。
• 運動量黙示的励起子のフォノンサイドバンドをスペクトルモデルに組み込むことで、WSe2およびWS2モノレイヤーにおける未割り当てのPL特徴を統一的に説明すること。
• 明るい励起子と黙示的励起子の状態からの寄与を区別することで、TMDにおける光学的、バルク的、スピン的現象の解釈を改善すること。
• 高品質なhBN封止TMDモノレイヤーを用い、電荷を可変にし、スペクトルの幅を低減することで、モデルを検証すること。

提案手法

• 本研究では、光励起発光スペクトルを、運動量直接励起子 (X, D) のゼロフォノン線 (ZPL) と、QポケットまたはK′バルクの電子とKバルクのホールから形成される運動量黙示的励起子のフォノンサイドバンドの和としてモデル化する。
• 面内横 (TA) および縦 (LA) 音響フォノン、および光学フォノンを用いて、運動量保存則をフォノンモードのqベクトルを介して満たすフォノン補助再結合経路を計算する。
• WSe2およびWS2モノレイヤーからの実験的PLデータに適合させるためのフィッティング手順を適用し、Q励起子準位のエネルギー (ΔXQ)、交換分裂、フォノン結合強度などのパラメータを調整して観測スペクトルと一致させる。
• すべての運動量黙示的励起子に同一の線幅を仮定しているが、これは簡略化であり、定量的精度に影響を及ぼす可能性があると認識されている。
• 理論的推定値としてフォノンモードとバンド構造を用いてエネルギー位置と結合強度を制約し、バイレイヤーWSe2およびMoSe2-WSe2ヘテロヘテロ接合の低温スペクトルによる検証も行う。
• 2次以降のフォノンプロセスは考慮されるが、初期の電子バルクおよびフォノン放出に基づき、QまたはK点にネット運動量が一致する組み合わせに限定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜTMDモノレイヤーにおけるいくつかの強い光励起発光ピークは、既知の明るい励起子の寄与だけでは未だに未割り当てのまま残っているのか？
• RQ2 フォノン補助再結合は、WSe2およびWS2における運動量黙示的励起子に帰属されるスペクトル特徴を説明できるか？
• RQ3 WSe2およびWS2モノレイヤーにおける運動量黙示的Q励起子のエネルギー位置は、明るいXおよびD励起子に対してどのようになるか？
• RQ4 音響的および光学的フォノンサイドバンドは、特にスピン禁制励起子状態が存在する場合に、全体のPLスペクトルにどのように寄与するか？
• RQ5 運動量黙示的励起子を含めることで、TMDのPLスペクトルにおける中性および荷電励起子の寄与を解体する際の曖昧さはどの程度解消できるか？

主な発見

• Q励起子準位が明るい励起子より19 meV低い場合（ΔXQ ≈ 19 meV）の第一のシナリオは、WSe2モノレイヤーのPLスペクトルに対して、明るい状態の上にあると仮定するよりも良好な適合を示す。
• WS2では、第二のシナリオ—Q励起子がDおよびX状態の間に位置する—がより良い適合をもたらし、Xの下にある最初の弱いPLピークがQl励起子の音響フォノンサイドバンドであることを説明できる。
• 本モデルは、以前の適合で観測された不自然に大きく物理的に不適切なXおよびK′u状態間の交換分裂を著しく縮小し、理論的予測とより整合性のとれた値に近づける。
• 運動量黙示的励起子の光学フォノンサイドバンドは、WS2のXとDの間の最も強いPLピークに重畳しており、欠陥局在化を仮定することなく、その高強度を説明できる。
• 均一な線幅を仮定するなどの簡略化にもかかわらず、本モデルは実験的スペクトルと質的・定量的に良好な一致を示し、信頼性が高い。
• 本研究は、運動量黙示的励起子がWSe2およびWS2における複雑なPL特徴を説明する鍵であることを確認し、将来的な高精度分光測定の解釈のためのフレームワークを提供する。