[论文解读] Active Control of Coherent Dynamics in Hybrid Plasmonic MoS<sub>2</sub> Monolayers with Dressed Phonons

Yuba Poudel, Gary N. Lim+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2018

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 3

一句话总结

本研究通过将光学激发调谐至2.33 eV以共振驱动银纳米颗粒的局域表面等离激元（LSPs），实现了对异质结构等离激元MoS2单层中相干激子动力学的主动调控，诱导出与声子模式的强近场耦合，并实现对A和B激子的相干布居。关键结果表明，等离激元共振增强了拉曼模式并调制了激子结合能；而在3.06 eV处的非共振激发则促进C-激子解离为自由载流子，通过增强的静电屏蔽作用，加速弛豫至A/B激子态。

ABSTRACT

The near-field interaction due to a strong electromagnetic field induced by resonant-localized plasmons can result in a strong coupling of excitonic states or the formation of hybrid exciton–plasmon modes in quantum confined structures. The strength of this coupling can be increased by designing a system with its vibronic states resonant to the energy of the driving field induced by the localized plasmon excitation. Silver (Ag) nanoparticles (NPs) nucleated on molybdenum disulfide (MoS<sub>2</sub>) is an ideal platform for such an interaction. The influence of localized plasmons (LSP) on the formation and dissociation of excitons due to resonant and off-resonant optical excitation of carriers to excitonic states is studied using ultrafast optical spectroscopy. The presence of Ag-NPs generates a local field that enhances the magnitude of the Raman modes in MoS<sub>2</sub> under the resonant plasmon excitation. An ultrashort pulsed optical excitation at ∼2.3 eV resonantly excites the LSP modes and the optical near-field resonantly drives the phonon modes, which leads to a coherent coupling of the A and B excitons in MoS<sub>2</sub> with the plasmon modes. The localized near-field optical driving source induces dressed vibronic states. The resonant excitation of the LSP modes modulates the optical absorption of the probe field. The optical excitation at ∼3.0 eV, which is resonant to the C excitonic state, but off-resonant to the LSP modes, increases the electrostatic screening in the presence of excess carriers from Ag-NPs. It results in a faster dissociation of optically generated C excitons into free carriers that eventually increases the population of A and B excitonic states. The coherent interaction in the hybrid nanoplasmonic system is described using a density matrix theory.

研究动机与目标

• 研究银纳米颗粒上的局域表面等离激元如何通过近场相互作用影响MoS2单层中的相干激子动力学。
• 探讨共振与非共振光学激发在调制激子形成、解离及弛豫路径中的作用。
• 通过在等离激元与C-激子共振处进行可调谐光学激发，实现对激子态的主动调控。
• 量化等离激元诱导的近场对声子模式耦合及激子结合能偏移的影响。
• 建立密度矩阵模型，以捕捉该异质等离激元系统中观测到的瞬态吸收动力学。

提出的方法

• 采用100 fs激光脉冲进行超快泵浦-探测瞬态吸收光谱测量，以在亚皮秒时间尺度上监测激子动力学。
• 使用两种泵浦波长：2.33 eV（与银纳米颗粒的局域表面等离激元共振）和3.06 eV（与MoS2中C-激子态共振）。
• 采用宽带白光探测脉冲，测量随时间延迟变化的激发态区域的差分吸收（ΔA）。
• 通过化学气相沉积（CVD）制备高质量单层MoS2，随后沉积10 nm银薄膜并进行热退火，形成银纳米岛结构。
• 应用密度矩阵理论模型，描述等离激元模态、A/B激子与声子之间的相干耦合。
• 分析在共振等离激元激发下拉曼模式增强与带隙重整化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2.33 eV处共振激发银纳米颗粒的局域表面等离激元，如何影响MoS2中A/B激子与声子模态之间的相干耦合？
• RQ2 银纳米颗粒产生的近场增强在多大程度上改变了拉曼响应与激子弛豫路径？
• RQ3 在3.06 eV处的非共振激发（与C-激子态共振）如何在银纳米颗粒存在下影响载流子动力学与激子解离？
• RQ4 银纳米颗粒在多大程度上增强了静电屏蔽作用，并加速了C-激子向A/B激子态的弛豫？
• RQ5 等离激元与声子之间的相干相互作用如何导致布居振动态的形成？这些布居态又如何影响激子结合能？

主要发现

• 在2.33 eV处的共振激发（与银纳米颗粒局域表面等离激元能量匹配）由于强近场耦合，增强了MoS2中的拉曼模式。
• 等离激元模态与A/B激子之间的相干耦合显著减小了激子能带之间的能量间距，表明激子结合能被调制。
• 在3.06 eV处的激发诱导C-激子更快地解离为自由载流子，这是由于银纳米颗粒中过剩载流子导致的静电屏蔽增强，随后迅速弛豫至A和B激子态。
• 在两种激发条件下均观察到激子吸收带发生红移，这是由过剩载流子引起的带隙重整化所致。
• 瞬态吸收响应显示，激子动力学在数百飞秒内被改变，退相干时间在数皮秒量级。
• 简单的密度矩阵模型定性再现了观测到的瞬态吸收特征，支持了系统中存在相干等离激元-激子-声子耦合的作用。