[논문 리뷰] Spatially indirect intervalley excitons in bilayer WSe2

Zhiheng Huang, Yanchong Zhao외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

2D Materials and Applications참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수소화 hexagonal boron nitride-봉쇄 이중층 WSe2에서 전기장 조절 가능한 형광 측정을 통해 공간적으로 간접적인 간벌리 흡착 상태를 규명하였으며, Q 밴드의 전자와 K/Γ 밴드의 정공이 관여하는 동역학 간접 흡착 상태를 드러냈다. 이러한 흡착 상태의 에너지 순서는 수직 전기장에 의해 가역적으로 조절 가능하며, 강한 도핑에 민감한 원형 편광을 나타내어 밸리트로닉스 및 옵토일렉트로닉스 분야에서 새로운 길을 열었다.

ABSTRACT

Spatially indirect excitons with displaced wavefunctions of electrons and holes play a pivotal role in a large portfolio of fascinating physical phenomena and emerging optoelectronic applications, such as valleytronics, exciton spin Hall effect, excitonic integrated circuit and high-temperature superfluidity. Here, we uncover three types of spatially indirect excitons (including their phonon replicas) and their quantum-confined Stark effects in hexagonal boron nitride encapsulated bilayer WSe2, by performing electric field-tunable photoluminescence measurements. Because of different out-of-plane electric dipole moments, the energy order between the three types of spatially indirect excitons can be switched by a vertical electric field. Remarkably, we demonstrate, assisted by first-principles calculations, that the observed spatially indirect excitons in bilayer WSe2 are also momentum-indirect, involving electrons and holes from Q and K/Γ valleys in the Brillouin zone, respectively. This is in contrast to the previously reported spatially indirect excitons with electrons and holes localized in the same valley. Furthermore, we find that the spatially indirect intervalley excitons in bilayer WSe2 can exhibit considerable, doping-sensitive circular polarization. The spatially indirect excitons with momentum-dark nature and highly tunable circular polarization open new avenues for exotic valley physics and technological innovations in photonics and optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 비중첩 전자 및 정공 파동함수를 갖는 이중층 WSe2에서 공간적으로 비직접적인 흡착 상태를 규명하고 특성화하기.
• 내부 밴드에 국한된 상태를 초월하여 간벌리 결합이 흡착 상태에 미치는 영향을 조사하기.
• 외부 전기장이 이러한 흡착 상태의 에너지 순서 및 편광 특성에 미치는 영향을 탐구하기.
• 도핑이 관측된 흡착 상태의 원형 편광에 미치는 영향을 규명하기.
• 조절 가능한 흡착 특성을 통해 이중층 WSe2가 밸리트로닉스 및 광학 장치 응용에 잠재력을 지니고 있음을 확인하기.

제안 방법

• 흡착 전이를 탐색하기 위해 hBN 봉쇄 이중층 WSe2에서 전기장 조절 가능한 형광 측정을 수행하기.
• 전하의 공간적 분리 및 에너지 수준을 제어하기 위해 수직 전기장을 적용하기.
• 전자기적 원리 계산을 통해 Q 밴드의 전자와 K/Γ 밴드의 정공이 관여하는 동역학 간접성의 특성을 확인하기.
• 형광 스펙트럼에서 격자 진동 복사체를 분석하여 구분 가능한 흡착 상태를 식별하기.
• 도핑 및 전기장에 따른 원형 편광도 측정을 통해 조절 가능성을 평가하기.
• 실험 결과를 이론 모델과 비교하여 간벌리 흡착 상태의 존재 및 특성을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장 하에서 이중층 WSe2에 존재하는 공간적으로 비직접적인 흡착 상태의 유형은 무엇인가?
• RQ2 이러한 흡착 상태의 에너지 순서는 적용된 전기장의 방향과 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 관측된 흡착 상태는 동역학 간접적일까? 즉, 부리외엔 존의 서로 다른 밴드에서 전자와 정공이 관여하는가?
• RQ4 도핑과 전기장을 통해 이러한 흡착 상태의 원형 편광을 조절할 수 있는가?
• RQ5 간벌리 결합은 이러한 흡착 상태의 안정화 및 특성화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전기장 조절 조건에서 이중층 WSe2에서 세 가지의 고유한 공간적으로 비직접적인 흡착 상태(격자 진동 복사체 포함)가 규명되었다.
• 전기장에 의해 수직으로 작용하는 전하 분리의 크기가 다른 전하 분리에 기인한 이질적인 수직 드립 모멘트로 인해 세 가지 흡착 상태 간의 에너지 순서가 뒤바뀔 수 있었다.
• 전자기적 원리 계산을 통해 관측된 흡착 상태가 동역학 간접적임을 확인하였으며, 전자는 Q 밴드에서, 정공은 K/Γ 밴드에서 기인하였다.
• 공간적으로 비직접적인 간벌리 흡착 상태는 강한 도핑 민감성 원형 편광을 나타내어 조절 가능한 밸리 편광을 시사하였다.
• 이러한 흡착 상태의 동역학 어두움 특성과 높은 조절 가능성은 저손실 밸리트로닉스 및 광학 장치에 잠재력을 지닌다.
• 이 시스템은 공간적 비직접성과 간벌리 비직접성의 독특한 조합을 보이며, 흡착 상태의 위상 일관성 및 스핀-밸리 잠금 제어를 위한 새로운 길을 열었다.