[논문 리뷰] Spontaneous Exciton Dissociation in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers

Taketo Handa, Madisen Holbrook외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고품질 전이금속디 chalcogenide (TMDC) 단일층에서 광자에 의해 유도된 엑시톤의 약 10%가 0.2 ns 이내에 자발적으로 자유 전하 운반자로 분리됨을 입증한다. 이는 중간 급도의 결함 상태를 통해 트랩 매개 Auger 산산이 유도된다. 이러한 발견은 큰 엑시톤 결합 에너지가 존재하는 TMDC에서 광전류 생성 문제를 해결하며, 고결함 농도에서만 내재된 엑시토닉 행동이 지배적임을 드러낸다.

ABSTRACT

Since the seminal work on MoS2 monolayers, photoexcitation in atomically-thin transition metal dichalcogenides (TMDCs) has been assumed to result in excitons with large binding energies (~ 200-600 meV). Because the exciton binding energies are order-of-magnitude larger than thermal energy at room temperature, it is puzzling that photocurrent and photovoltage generation have been observed in TMDC-based devices, even in monolayers with applied electric fields far below the threshold for exciton dissociation. Here, we show that the photoexcitation of TMDC monolayers results in a substantial population of free charges. Performing ultrafast terahertz (THz) spectroscopy on large-area, single crystal WS2, WSe2, and MoSe2 monolayers, we find that ~10% of excitons spontaneously dissociate into charge carriers with lifetimes exceeding 0.2 ns. Scanning tunnelling microscopy reveals that photo-carrier generation is intimately related to mid-gap defect states, likely via trap-mediated Auger scattering. Only in state-of-the-art quality monolayers14, with mid-gap trap densities as low as 10^9 cm^-2, does intrinsic exciton physics start to dominate the THz response. Our findings reveal that excitons or excitonic complexes are only the predominant quasiparticles in photo-excited TMDC monolayers at the limit of sufficiently low defect densities.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 열 에너지를 초월하는 큰 엑시톤 결합 에너지(~200–600 meV)가 존재하는 TMDC 단일층에서 광전류 생성의 역설을 해결하기 위해.
• 결함이 엑시토닉 시스템에서 전하 분리에 기여하는 역할을 조사하기 위해.
• 단일층 TMDC에서 내재된 엑시토닉 물리가 결함 매개 전하 생성보다 지배적이게 되는 조건을 규명하기 위해.
• WS2, WSe2, MoSe2 단일층에서 자발적 분리 과정을 통해 생성된 자유 전하 운반자의 수율과 수명을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 초고속 테라헤르츠(THz) 분광법을 사용하여 WS2, WSe2, MoSe2의 대규모 단일결정 단일층의 일시적 광응답을 측정하였다.
• 현미경적 전자 구조와 광운반자 생성 동역학 간의 연관성을 분석하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하였다.
• 표준 품질에서 최신 기술 수준까지의 다양한 중간 급도의 결함 농도를 가진 단일층을 비교 분석하였다.
• 시간 해상도가 높은 THz 전도도 측정을 통해 광자 자극 이후 자유 전하 운반자의 수율과 수명을 추출하였다.
• 관측된 전하 생성 메커니즘을 해석하기 위해 트랩 매개 Auger 산산의 이론적 모델링을 수행하였다.
• STM를 통해 결함 농도를 정량화하고, THz 응답에서 엑시톤 성향과 자유 운반자 성향 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고품질 TMDC 단일층에서 광자에 의해 자극된 엑시톤 중 약 몇 퍼센트가 자발적으로 자유 운반자로 분리되는가?
• RQ2 중간 급도의 결함 상태는 TMDC 단일층에서 엑시톤이 자유 전하 운반자로 분리되는 과정을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 전기장이 필드 유도 엑시톤 분리 임계값 이하일 때도 왜 TMDC 단일층에서 광전류가 관측되는가?
• RQ4 어느 정도의 결함 농도에서 내재된 엑시토닉 물리가 결함 매개 전하 생성보다 지배적이게 되는가?
• RQ5 TMDC 단일층에서 자발적 분리 과정을 통해 생성된 자유 전하 운반자의 수명은 얼마인가?

주요 결과

• 초고속 THz 분광법 측정 결과, 고품질 TMDC 단일층에서 광자에 의해 자극된 엑시톤의 약 10%가 자발적으로 자유 전하 운반자로 분리됨을 확인하였다.
• 자발적 분리 과정을 통해 생성된 자유 전하 운반자는 0.2 ns를 초월하는 수명을 가지며, 이는 광응답의 장수명 성분을 나타낸다.
• 분리 과정이 중간 급도의 결함 상태를 통해 매개됨을 스캐닝 터널링 현미경 및 결함 농도와 자유 운반자 생성 수율 간의 상관관계를 통해 확인하였다.
• 중간 급도의 트랩 농도가 10^9 cm⁻² 이하인 단일층에서는 내재된 엑시토닉 물리가 THz 응답에서 지배적이게 되며, 이는 결함이 없는 행동의 임계 조건을 나타낸다.
• 관측된 광전류와 광전압는 필드 유도 분리가 아닌 결함 보조 자발적 분리에 의해 발생함을 규명하였다.
• 이 연구는 결함 농도가 충분히 낮지 않은 한, 엑시톤 또는 엑시토닉 복합체가 광자 자극 시 TMDC 단일층에서 지배적인 준입자임을 부정한다.