[논문 리뷰] Evidence for Exciton Crystals in a 2D Semiconductor Heterotrilayer

Yusong Bai, Yiliu Li외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 20.

2D Materials and Applications참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 WSe2/MoSe2/WSe2 2D 이종삼중층에서 계면 상 exciton 결정체에 대한 분광학적 증거를 제시한다. 여기서 강화된 쿨롱 상호작용이 순서 정렬된, 쌍극자형 exciton을 안정화시킨다. 이중층과 달리, 이러한 exciton은 국소화되어 있으며, exciton 밀도가 10^12 cm⁻²에 이르는 범위까지 날카른 광발광을 나타내어, 불순물과 이동도에 의한 탈국소화에 저항하는 안정된 결정 상임을 시사한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDC) and their moiré interfaces have been demonstrated for correlated electron states, including Mott insulators and electron/hole crystals commensurate with moiré superlattices. Here we present spectroscopic evidences for ordered bosons - interlayer exciton crystals in a WSe2/MoSe2/WSe2 trilayer, where the enhanced Coulomb interactions over those in heterobilayers have been predicted to result in exciton ordering. While the dipolar interlayer excitons in the heterobilayer may be ordered by the periodic moiré traps, their mutual repulsion results in de-trapping at exciton density n_ex larger than 10^11 cm^-2 to form mobile exciton gases and further to electron-hole plasmas, both accompanied by broadening in photoluminescence (PL) peaks and large increases in mobility. In contrast, ordered interlayer excitons in the trilayer are characterized by negligible mobility and by sharper PL peaks persisting to n_ex approximately 10^12 cm^-2. We present evidences for the predicted quadrupolar exciton crystal and its transitions to dipolar excitons either with increasing n_ex or by an applied electric field. These ordered interlayer excitons may serve as models for the exploration of quantum phase transitions and quantum coherent phenomena.

연구 동기 및 목표

• 이중층을 초월한 2D 반도체 이종구조에서 상호작용하는 다체계 상태의 형성에 대해 조사하기 위해.
• 이종삼중층에서 강화된 쿨롱 상호작용이 질서 정렬된 엑시톤 상을 안정화시키는 방식을 탐구하기 위해.
• 이중층에서의 이중극자형 엑시톤과 삼중층에서의 쌍극자형 엑시톤 결정체를 분광학적 특징을 통해 구분하기 위해.
• 변동하는 엑시톤 밀도 또는 외부 전기장 조건에서 질서 정렬된 엑시톤 결정체에서 이동 가능한 엑시톤 기체 또는 전자-정공 플라즈마로의 전이를 탐구하기 위해.
• 이종삼중층 시스템이 양자상전이 및 응집된 양자현상 연구의 플랫폼으로서 기능할 수 있음을 확립하기 위해.

제안 방법

• 정밀한 스택 및 봉입을 갖춘 WSe2/MoSe2/WSe2 이종삼중층 이종구조의 제작.
• 저온 광발광(PL) 분광법을 사용하여 엑시톤 상태와 그 스펙트럼 폭을 탐구하기 위해.
• 전기적 게이팅을 통한 엑시톤 밀도(n_ex)의 체계적 변화를 통해 질서 정렬된 상에서 무질서한 상으로의 전이 관찰.
• 외부 전기장을 적용하여 계면 잠재력 조절을 통해 쌍극자형에서 이중극자형 엑시톤 특성으로의 전이 유도.
• 기존의 이중층 이종구조에서의 PL 폭 증가 및 이동도 경향과의 비교를 통해 고유한 진동 상태 식별.
• 스펙트럼의 지속성과 날카움을 통해 엑시톤 결정 상에서의 장거리 질서와 국소화를 지표로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 반도체 삼중층에서 계면 상 엑시톤이 강화된 쿨롱 상호작용로 인해 안정적이고 질서 정렬된 결정 상을 형성할 수 있는가?
• RQ2 엑시톤 밀도는 질서 정렬된 엑시톤 결정에서 이동 가능한 엑시톤 기체 또는 플라즈마로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 분광학적 특징으로서 쌍극자형 엑시톤 결정체는 이중층 시스템의 이중극자형 엑시톤과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ4 적용된 전기장은 엑시톤 결정 상의 안정성과 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 특성들이 엑시톤 시스템에서 양자상전이 존재를 얼마나 잘 뒷받침하는가?

주요 결과

• 이종삼중층 시스템은 엑시톤 밀도가 10^12 cm⁻²에 이르는 범위까지도 날카로운 광발광 피크를 나타내어 장거리 질서와 국소화를 시사한다.
• 고밀도 영역에서 광발광 피크 폭이 좁게 유지되며, 이는 이중층에서 관찰되는 폭 증가와 대조적으로, 불순물과 이동도에 의한 영향이 억제됨을 시사한다.
• 계면 엑시톤에 대해 극도로 낮은 이동도를 보이며, 이는 이동 가능한 기체가 아닌 고정된 결정 상태임을 일관되게 뒷받침한다.
• 분광학적 증거는 이중층에서 관찰된 이중극자형 엑시톤과는 다를 바 있는 쌍극자형 엑시톤 결정체 형성에 기여한다.
• 엑시톤 밀도를 증가시키거나 전기장을 적용함으로써 질서 정렬된 쌍극자형 상에서 무질서하고 이동 가능한 이중극자형 엑시톤 상태로의 전이가 유도된다.
• 관측된 엑시톤 결정 상의 안정성과 응집성은 양자상전이 및 다체계 양자현상 연구의 플랫폼으로서의 잠재력을 시사한다.