[論文レビュー] Localization-induced optical properties of monolayer transition-metal dichalcogenides

Dinh Van Tuan, Hanan Dery|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、モノレイヤー遷移金属ジ chalcogenides (ML-TMDs) における局在電子が、仮想 trion 状態を介してフォノン補助バイキシトン再結合を顕著に増幅することを提案し、最近の ML-WSe2 における光励起実験を説明する。このメカニズムは、強い電子-フォノン結合と局在不純物によって駆動され、低エネルギー発光ピークを説明し、磁場依存発光特徴を予測する。

ABSTRACT

Impurities play an important role during recombination processes in semiconductors. Their important role is sharpened in atomically-thin transition-metal dichalcogenides whose two-dimensional character renders electrons and holes highly susceptible to localization caused by remote charged impurities. We study a multitude of phenomena that arise from the interaction of localized electrons with excitonic complexes. Emphasis is given to the amplification of the phonon-assisted recombination of biexcitons when it is mediated by localized electrons, showing that this mechanism can explain recent photoluminescence experiments in ML-WSe$_2$. In addition, the magnetic-field dependence of this mechanism is analyzed. The results of this work point to (i) an intriguing coupling between the longitudinal-optical and homopolar phonon modes that can further elucidate various experimental results, (ii) the physics behind a series of localization-induced optical transitions in tungsten-based materials, and (iii) the importance of localization centers in facilitating the creation of biexcitons and exciton-exciton annihilation processes.

研究の動機と目的

• 標準的励起子状態では説明できない高品質な ML-WSe2 デバイスにおける異常な低エネルギー光励起ピークを説明すること。
• 2次元半導体におけるフォノン補助再結合プロセスを強化する局在電子の役割を調査すること。
• タングステン系 TMD における観測された発光特徴の起源を解明すること、特に中性励起子ピークから 43 meV 低いエネルギー領域におけるものに注目すること。
• 電子局在化、励起子複合体、および ML-TMD における光学応答を結びつける理論的枠組みを確立すること。
• 提案された再結合メカニズムの磁場依存性を分析し、実験的観測量に与える意味を明らかにすること。

提案手法

• モノレイヤー WSe2 における電子-フォノン結合を Fröhlich 相互作用を用いて組み込んだ多体ハミルトニアンを構築する。
• 局在電子とそれらの励起子との相互作用を、単粒子波動関数を用いた変分法によってモデル化する。
• 実際の有効質量と誘電スクリーニングを反映した、自己無撞撃変分法 (SVM) を用いて、拡散状態の少数体複合体（励起子、trion、バイキシトン）の結合エネルギーを計算する。
• フォノン補助再結合過程を二段階メカニズムとしてモデル化する：(1) 局在電子が励起子を捕獲し仮想 trion 状態を形成する、(2) 光子と縦光学（LO）フォノンを放出する。
• 実験的に得られたパラメータを用いる：WSe2 における LO フォノンエネルギー = 32 meV、ボーン有効電荷 Z = -1.16、格子定数 a = 3.2 Å。
• 磁気吸収分光および光励起分光実験からの経験的データと照合することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質な ML-WSe2 デバイスが中性励起子ピークから約 43 meV 低いエネルギーに低エネルギー光励起ピークを示すのは、なぜか？ これは、そのエネルギーに trion 状態が存在しないにもかかわらずである。
• RQ2 局在電子がどのようにフォノン補助バイキシトン再結合を媒介し、どのような条件下でこのプロセスが最大限に強化されるか？
• RQ3 電子局在化が 2次元半導体におけるフォノン補助遷移のオシレーター強度をどのように増幅するか？
• RQ4 発光スペクトルの磁場依存性は、局在電子が媒介する再結合の背後にあるメカニズムをどのように反映しているか？
• RQ5 なぜ WSe2 における明るい負の trion の結合エネルギーが暗い負の trion よりも高いのか？ 有効質量の違いとどのように関係しているか？

主な発見

• 局在電子を介したバイキシトンのフォノン補助再結合が、ML-WSe2 における約 43 meV 発光ピークを説明でき、これはラマンおよび DFT 研究で測定された LO フォノンエネルギー（44 meV）と一致する。
• 局在電子が強く局在化されており、中間の仮想 trion 状態が実際の trion 状態と共鳴している場合、このメカニズムは顕著に強化される。
• hBN エンクロージャーを有する ML-WSe2 における中性励起子（178 meV）およびバイキシトン（17.4 meV）の計算結合エネルギーは、磁気吸収分光法からの実験的値とよく一致する。
• モデルは明るい励起子と暗い励起子の間で 17.2 meV のエネルギー分裂を予測し、スピン分裂エネルギー Δ = 23–26 meV を加味した場合、実験観測の 40–43 meV の発光線間隔と整合する。
• 明るい負の trion の結合エネルギー（34.9 meV）は、経験的値 35 meV と非常に良く一致しており、モデルの予測能力を裏付けている。
• 暗い負の trion は、下部伝導帯谷における電子の有効質量が重いため、trion 形成に伴う結合強化が小さくなり、結合エネルギーが 25.6 meV と明るいものより低くなる。