[論文レビュー] Valley Phonons and Exciton Complexes in a Monolayer Semiconductor

Minhao He, Pasqual Rivera+11 more|RePEc: Research Papers in Economics|Jan 6, 2020

2D Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、二次元半導体のモナレイヤーWSe2において、ブリユアンゾーンの角に位置する運動量を持つバルーンフォノン（谷フォノン）を同定し、それらが励起子複合体の形成に寄与する間谷散乱を駆動することを示した。特に、ダークトリアンの複製および10 meVの短距離電子-ホール交換相互作用を示す、以前に未知であった間谷励起子が同定された。これらの発見は、2次元半導体におけるスピン、谷、ゾーン端フォノンの強い結合を示している。

ABSTRACT

The coupling between spin, charge, and lattice degrees of freedom plays an important role in a wide range of fundamental phenomena. Monolayer semiconducting transitional metal dichalcogenides have emerged as an outstanding platform for studying these coupling effects because they possess unique spin-valley locking physics for hosting rich excitonic species and the reduced screening for strong Coulomb interactions. Here, we report the observation of multiple valley phonons, phonons with momentum vectors pointing to the corners of the hexagonal Brillouin zone, and the resulting exciton complexes in the monolayer semiconductor WSe2. From Lande g-factor and polarization analyses of photoluminescence peaks, we find that these valley phonons lead to efficient intervalley scattering of quasi particles in both exciton formation and relaxation. This leads to a series of photoluminescence peaks as valley phonon replicas of dark trions. Using identified valley phonons, we also uncovered an intervalley exciton near charge neutrality, and extract its short-range electron-hole exchange interaction to be about 10 meV. Our work not only identifies a number of previously unknown 2D excitonic species, but also shows that monolayer WSe2 is a prime candidate for studying interactions between spin, pseudospin, and zone-edge phonons.

研究の動機と目的

• モナレイヤー遷移金属ジ chalcogenides におけるスピン、谷、格子自由度の結合を調査すること。
• WSe2における谷フォノン（六角形ブリユアンゾーンの角に運動量を持つフォノン）の同定と特性評価すること。
• 励起子の生成および緩和過程におけるこれらのフォノンが果たす間谷散乱の役割を調査すること。
• 発光分光法を用いて、ダークトリアンの複製および間谷励起子を含む新しい2次元励起子種の同定と特性評価すること。
• 電荷中性付近の間谷励起子における短距離電子-ホール交換相互作用の測定

提案手法

• 偏光およびランデのg因子分析を併用した発光分光法により、励起子遷移および谷特有のダイナミクスを調査する。
• 発光ピーク構造の運動量分解を用いて、谷フォノンの同定を行う。
• 不純物を低減し、多体効果を強化する高品質な剥離法によるモナレイヤーWSe2試料を用いる。
• 励起条件を変化させた際のピーク分裂および強度変化の分析により、間谷散乱過程を分離する。
• 理論的モデリングを用いて観測されたフォノンレプリカを解釈し、交換相互作用パラメータを抽出する。
• 2次元半導体におけるスピン-谷ロックおよびゾーン端フォノン結合の予測と、実験データを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モナレイヤーWSe2に谷フォノンは存在するか？その運動量構造は？
• RQ2 谷フォノンは励起子状態における間谷散乱をどのように媒介するか？
• RQ3 谷フォノンと結合することで形成される新しい励起子種は何か？それらは発光分光法でどのように現れるか？
• RQ4 電荷中性付近の間谷励起子における短距離電子-ホール交換相互作用の強さは？
• RQ5 谷フォノンはダークトリアンの生成および緩和経路にどの程度寄与するか？

主な発見

• 六角形ブリユアンゾーンの角に向かう運動量ベクトルを持つ複数の谷フォノンが、モナレイヤーWSe2で実験的に観測された。
• これらの谷フォノンは効率的な間谷散乱を引き起こし、ダークトリアンの複製である発光ピークの系列を生成した。
• 電荷中性付近に位置する間谷励起子が同定され、短距離電子-ホール交換相互作用が約10 meVであった。
• 観測された谷フォノンレプリカは、擬スピン（谷）、スピン、ゾーン端格子振動の強い結合を裏付けた。
• 発光ピークの偏光およびg因子分析により、谷フォノンを介した間谷遷移の直接的証拠が得られた。
• 本研究の結果は、モナレイヤーWSe2がスピン、擬スピン、ゾーン端フォノン間の相互作用を研究する有望なプラットフォームであることを示している。