[論文レビュー] Spontaneous Exciton Dissociation in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers

Taketo Handa, Madisen Holbrook+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高品質な遷移金属ジ chalcogenide (TMDC) モノレイヤーにおいて、0.2 ns以内に、光励起された励起子の約10%が、中間ギャップ欠陥状態を介したトラップ媒介アンジェール散乱によって自発的に自由電荷キャリアに解離することを示している。この発見により、大規模な励起子束縛エネルギーがあるにもかかわらずTMDCで光電流が生成されるという長年の謎が解明され、内在的な励起子的挙動は超高い欠陥密度では支配的でないことが明らかになった。

ABSTRACT

Since the seminal work on MoS2 monolayers, photoexcitation in atomically-thin transition metal dichalcogenides (TMDCs) has been assumed to result in excitons with large binding energies (~ 200-600 meV). Because the exciton binding energies are order-of-magnitude larger than thermal energy at room temperature, it is puzzling that photocurrent and photovoltage generation have been observed in TMDC-based devices, even in monolayers with applied electric fields far below the threshold for exciton dissociation. Here, we show that the photoexcitation of TMDC monolayers results in a substantial population of free charges. Performing ultrafast terahertz (THz) spectroscopy on large-area, single crystal WS2, WSe2, and MoSe2 monolayers, we find that ~10% of excitons spontaneously dissociate into charge carriers with lifetimes exceeding 0.2 ns. Scanning tunnelling microscopy reveals that photo-carrier generation is intimately related to mid-gap defect states, likely via trap-mediated Auger scattering. Only in state-of-the-art quality monolayers14, with mid-gap trap densities as low as 10^9 cm^-2, does intrinsic exciton physics start to dominate the THz response. Our findings reveal that excitons or excitonic complexes are only the predominant quasiparticles in photo-excited TMDC monolayers at the limit of sufficiently low defect densities.

研究の動機と目的

• 室温における熱エネルギーを超えるほど大きな励起子束縛エネルギー（約200–600 meV）を有するにもかかわらず、TMDCモノレイヤーで光電流が生成されるというパラドックスを解明すること。
• 欠陥が、もともと励起子的性質を示す系において電荷分離を可能にする役割を果たすかを調査すること。
• モノレイヤーTMDCにおいて、内在的な励起子的物理が欠陥媒介電荷生成を上回る条件を特定すること。
• WS2、WSe2、MoSe2モノレイヤーにおける自発的解離によって生成される自由電荷キャリアの量子収率と寿命を定量すること。

提案手法

• 大面積で単結晶のWS2、WSe2、MoSe2モノレイヤーの一時的光応答を測定するために、超高速テラヘルツ（THz）分光法が用いられた。
• 局所的な電子構造と光キャリア生成ダイナミクスの相関をとるために、走査トンネル顕微鏡（STM）が用いられた。
• 中間ギャップ欠陥密度を、標準的から最先端の品質（最低10^9 cm⁻²）まで変化させたモノレイヤーを比較した。
• 時間分解THz導電度測定を用いて、光励起後の自由電荷キャリアの量子収率と寿命を抽出した。
• 観察された電荷生成メカニズムを解釈するために、トラップ媒介アンジェール散乱の理論的モデリングが行われた。
• 欠陥密度はSTMを用いて定量され、THz応答における励起子的性質と自由キャリア的性質の度合いと相関づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質なTMDCモノレイヤーにおいて、光励起された励起子の何パーセントが自発的に自由キャリアに解離するか？
• RQ2 中間ギャップ欠陥状態は、TMDCモノレイヤーにおいてどのように励起子を自由電荷キャリアに解離するか？
• RQ3 外部電場が電場誘起励起子解離の閾値未満であっても、なぜTMDCモノレイヤーで光電流が観測されるのか？
• RQ4 欠陥密度がどの程度の水準になると、TMDCモノレイヤーにおいて内在的な励起子的挙動が欠陥媒介電荷生成を上回るようになるか？
• RQ5 TMDCモノレイヤーにおける自発的解離によって生成された自由電荷キャリアの寿命はどのくらいか？

主な発見

• 超高速THz分光法による測定で、高品質なTMDCモノレイヤーにおいて、光励起された励起子の約10%が自発的に自由キャリアに解離することが判明した。
• 自発的解離によって生成された自由キャリアは、0.2 nsを超える寿命を示しており、光応答に長寿命成分が存在することを示している。
• 解離過程は、走査トンネル顕微鏡による確認および欠陥密度とキャリア生成収率との相関から、中間ギャップ欠陥状態によって媒介されていることが確認された。
• 中間ギャップトラップ密度が10^9 cm⁻²にまで低下したモノレイヤーでは、THz応答において内在的な励起子的物理が支配的となり、欠陥なしの挙動の閾値が特定された。
• 観察された光電流およびフォトボルテージは、電場誘起解離によるものではなく、むしろ欠陥補助の自発的解離によって実現されていることが明らかになった。
• 本研究により、欠陥密度が十分に低い状態でない限り、励起子または励起子的複合体が光励起されたTMDCモノレイヤーにおける支配的準粒子ではないことが確立された。