[논문 리뷰] Broadband pump-probe study of biexcitons in chemically exfoliated layered WS$_{2}$

Rup Kumar Chowdhury, Snehasish Nandy외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 59인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 화학적으로 에폭시된 단일층에서 4층까지의 WS₂에서 초고속 인광체 동역학을 넓은 대역의 펌프-프로브 분광법을 사용하여 조사한다. 이론과 뛰어난 일치를 보이며, 약 69 meV (AA) 및 약 66 meV (BB)의 결합 에너지를 가진 이중결합체의 존재를 실험적으로 확인하였고, 인광체와 이중결합체의 비방사성 및 방사성 수명이 다름을 드러내어 실온에서의 안정성이 옵티오일렉트로닉 장치에 매우 중요하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Strong light-matter interactions in layered transition metal dichalcogenides (TMDs) open up vivid possibilities for novel exciton-based devices. The optical properties of TMDs are dominated mostly by the tightly bound excitons and more complex quasiparticles, the biexcitons. Instead of physically exfoliated monolayers, the solvent-mediated chemical exfoliation of these 2D crystals is a cost-effective, large-scale production method suitable for real device applications. We explore the ultrafast excitonic processes in WS$_{2}$ dispersion using broadband femtosecond pump-probe spectroscopy at room temperature. We detect the biexcitons experimentally and calculate their binding energies, in excellent agreement with earlier theoretical predictions. Using many-body physics, we show that the excitons act like Weiner-Mott excitons and explain the origin of excitons via first-principles calculations. Our detailed time-resolved investigation provides ultrafast radiative and non-radiative lifetimes of excitons and biexcitons in WS$_{2}$. Indeed, our results demonstrate the potential for excitonic quasiparticle-controlled TMDs-based devices operating at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 화학적으로 에폭시된 WS₂에서 실온에서 초고속 인광체 및 이중결합체 동역학을 조사한다.
• 이중결합체의 존재를 실험적으로 확인하고 단일층에서 4층까지의 WS₂에서의 결합 에너지를 측정한다.
• 시간 분해 분광법을 사용하여 인광체와 이중결합체의 방사성 및 비방사성 붕괴 수명을 결정한다.
• 다체 상호작용과 근접한 쿨롱 힘의 역할이 2차원 WS₂에서 인광체 행동을 어떻게 형성하는지 규명한다.
• 최초 원리 계산을 통해 이론적 예측된 이중결합체 결합 에너지 및 인광체 형성 메커니즘을 검증한다.

제안 방법

• 순간 흡수 동역학을 측정하기 위해 405 nm 펌프와 350–750 nm 화이트 라이트 프로브를 사용한 넓은 대역의 피코초 펌프-프로브 분광법을 적용하였다.
• 시간 분해 TAS 신호를 분리하기 위해 200 fs의 기기 응답 함수(IRF)를 사용하여 역설계(deconvolution)를 수행하였다.
• 비방사성(T₁, T₂) 및 방사성(T₃) 재결합 과정을 분리하기 위해 TAS 데이터를 삼중 지수 감쇠 모델로 피팅하였다.
• 밴드 비중복성, 스핀-오비트 결합 효과 및 A, B, C 인광체의 기원을 분석하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 다체 상호작용, 특히 인광체 냉각과 펌프 전력 의존적 빨간색 이동과 관련된 실험적 피크 이동을 상관 분석하였다.
• 피크 에너지 이동에서 이중결합체 결합 에너지를 계산하고 이론적 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적으로 에폭시된 단일층에서 4층까지의 WS₂에서 실온에서 이중결합체가 존재하는가?
• RQ2 화학적으로 에폭시된 WS₂에서 AA 및 BB 이중결합체의 결합 에너지는 얼마이며, 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 WS₂에서 인광체와 이중결합체의 방사성 및 비방사성 수명은 어떻게 다른가? 그리고 B-인광체 수명의 이상 현상은 무엇이 원인인가?
• RQ4 쿨롱 스크리닝과 파울리 차폐와 같은 다체 상호작용이 인광체 준입자들의 초고속 동역학을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 희생 상태 흡수(ESA)와 이중결합체 전이가 WS₂에서의 방사성 재결합 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 화학적으로 에폭시된 WS₂에서 이중결합체가 실험적으로 확인되었으며, 결합 에너지는 약 69 meV (AA) 및 약 66 meV (BB)로 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보였다.
• A 및 C 인광체의 방사성 수명은 수나노초 수준이었고, B-인광체의 방사성 수명은 ESA 및 BB 이중결합체 상태와의 강한 결합으로 인해 약 300 ps로 크게 감소하였다.
• 비방사성 붕괴 성분(T₁ 및 T₂)은 모든 인광체 및 이중결합체 상태에서 유사하게 나타나, 결함 상태를 통한 공통의 붕괴 경로를 시사하였다.
• AA 이중결합체의 약 90 meV, BB 이중결합체의 약 80 meV의 펌프 전력 의존적 빨간색 이동은 준입자 간의 다체 상호작용에서 기인한다.
• 인광체 냉각은 BB 이중결합체 피크에 약 90 meV의 파란색 이동을 유도하여 열적 안정화가 준입자 진화에 기여한다는 것을 확인하였다.
• 최초 원리 DFT 계산은 단일층에서 4층까지 K 및 K′ 점에서의 스핀-오비트 결합과 밴드 비중복성이 유지됨을 확인하였으며, 이는 위너-모트 인광체와 유사한 단거리 쿨롱 상호작용을 통해 A, B, C 인광체 형성이 가능하다는 것을 뒷받침한다.