[논문 리뷰] Limits of funneling efficiency in non-uniformly strained 2D semiconductors

Moshe G. Harats, Kirill I. Bolotin|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 08.

2D Materials and Applications참고 문헌 40인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 비균일하게 비틀어진 2D 전이 금속 디 chalcogenide(TMDCs)에서의 흥 exciton 펌프 효율의 한계를 조사하며, 펌프 효율이 이동과 확산의 균형에 의해 본질적으로 제한된다는 것을 보여준다. 실온에서 일반적인 단층 TMDCs는 짧은 흥 exciton 수명과 높은 확산으로 인해 <5%의 효율을 보이지만, 수명이 긴 다층 흥 exciton을 가진 이종구조에서는 최적 조건에서 약 50%의 효율에 도달하여 이론적 열평형 한계에 가까워진다.

ABSTRACT

Photoexcited electron-hole pairs (excitons) in transition metal dichalcogenides (TMDC) experience an effective force when these materials are non-uniformly strained. In the case of strain produced by a sharp tip pressing at the center of a suspended TMDC membrane, the excitons are transported to the point of the highest strain at the center of the membrane. This effect, exciton funneling, can be used to increase photoconversion efficiency in TMDC, to explore exciton transport, and to study correlated states of excitons arising at their high densities. Here, we analyze the limits of funneling efficiency in realistic device geometries. The funneling efficiency in realistic monolayer TMDCs is found to be low, $ &lt;5 \\;\\%$ both at room and low temperatures. This results from dominant diffusion at room temperature and short exciton lifetimes at low temperatures. On the other hand, in TMDC heterostructures with long exciton lifetimes the funneling efficiency reaches $\\sim 50\\;\\%$ at room temperature, as the exciton density reaches thermal equilibrium in the funnel. Finally, we show that Auger recombination limits funneling efficiency for intense illumination sources.

연구 동기 및 목표

• 비균일하게 비틀어진 2D 반도체, 특히 단층 및 이종구조 TMDCs에서의 흥 exciton 펌프 효율의 기본 한계를 규명하는 것.
• 실제 장치 기하학에서 흥 exciton 펌프 효율을 제한하는 주요 물리 메커니즘—확산, 재결합, 이동—을 규명하는 것.
• 열평형에 의해 정의된 이론적 최대치에 가까워질 수 있는 조건을 설정하는 것.
• 온도, 물성 매개변수(수명, 확산 계수), 조명 강도가 펌프 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 이전의 원자력 현미경(AFM) 기반 연구에서의 실험적 매개변수를 기반으로, 원형 대칭 기하구조와 중심 톱니를 가진 휘어진 TMDC 막대에서의 비틀기 유도 전위 펌프를 모델링하는 것.
• 반경 방향의 위치에 따라 비틀기 텐서와 밴드 갭 감소를 계산하며, 비틀기 프로파일에 대해 포물선 근사를 사용하는 것.
• 비균일한 비틀기에 의해 유도된 전위에서 이동-확산 방정식을 풀며, 공간적으로 변화하는 흥 exciton 수명과 확산 계수를 포함하는 것.
• 열평형 조건에서 봄볼츠만 분포를 사용하여 이론적으로 가능한 최대 펌프 효율을 유도하는 것(식 7), 이는 이론적 상한선을 제공한다.
• 태양광 및 레이저 조명 프로파일을 기반으로 수치 결과를 비교하여 조도 조건에 따른 효율 의존도를 평가하는 것.
• 강한 조도 조건에서의 오스터 재결합 영향을 분석하여 펌프 효율에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일하게 비틀어진 2D TMDCs에서 실재 물성 및 장치 매개변수 조건 하에서 얻을 수 있는 최대 펌프 효율은 얼마인가?
• RQ2 실온 및 고온에서 확산과 흥 exciton 수명이 이동과 경쟁하여 펌프 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 펌프 영역에서 열평형에 얼마나 가까이 도달할 수 있으며, 이를 가능하게 하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 강한 조도 조건에서 오스터 재결합은 흥 exciton 펌프 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 수명이 긴 다층 흥 exciton을 가진 이종구조는 단층 TMDCs에 비해 펌프 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 단층 TMDCs의 경우, 지배적인 확산과 짧은 흥 exciton 수명으로 인해 펌프 효율이 <5%로 제한된다.
• 저온 조건(4 K)에서, 적당한 비틀기 값에 대해 이동이 확산을 압도하므로 펌프 효율이 90%를 초과할 수 있다.
• 수명이 긴 이종구조(TMDCs, 약 100 ns)에서는 실온에서 펌프 효율이 약 50%에 도달하며, 이론적 열평형 한계에 가까워진다.
• 이론적 최대 효율은 비틀기 유도 전위 우물에 대한 봄볼츠만 분포로 주어지며(식 7), 최대 비틀기 5% 및 실온 조건에서 약 50%의 효율이 달성 가능하다.
• 강한 조도 조건에서는 오스터 재결합이 펌프 효율을 감소시켜 열평형 한계 이하의 실용적 상한선을 설정한다.
• 저온에서 효율 한계는 안정적이며, 확산 계수와 오스터 재결합 속도가 모두 온도에 따라 감소할 것으로 예상되기 때문이다.