[论文解读] Anomalous valley polarization in monolayer MoSe2

Anmin Zhang, Jiahe Fan+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2015

2D Materials and Applications参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究通过偏振光致发光研究单层MoSe2中的谷极化，发现B激子表现出异常的70%谷极化，显著高于MoS2中的值，而A激子的极化度低于3%，A三子的极化度为微小负值。这些结果揭示了新颖的谷内与谷间散射过程，推动了对过渡金属二硫属化物中激子物理与谷电子学潜力的理解。

ABSTRACT

Modern electronic devices heavily rely on the accurate control of charge and spin of electrons. The emergence of controllable valley degree of freedom brings new possibilities and presents a promising prospect towards valleytronics. Recently, valley excitation selected by chiral optical pumping has been observed in monolayer MoS2. In this work, we report polarized photoluminescence (PL) measurements for monolayer MoSe2, another member of the family of transition-metal-dichalcogenides (MX2), and observe drastic difference from the outcomes of MoS2. In particular, we identify a valley polarization (VP) up to 70% for B exciton, while that for A exciton is less than 3%. Besides, we also find a small but finite negative VP for A- trion. These results reveal several new intra- and inter-valley scattering processes which significantly affect valley polarization, hence provide new insights into exciton physics in monolayer MX2 and possible valleytronic applications.

研究动机与目标

• 研究过渡金属二硫属化物（MX2）家族成员单层MoSe2中的谷极化。
• 将MoSe2中的谷极化行为与此前通过手性光学泵浦可诱导强谷极化的MoS2中的行为进行比较。
• 识别并理解导致MoSe2中观测到的谷极化异常现象的散射过程。
• 探讨这些发现对激子物理及未来谷电子学器件应用的启示。

提出的方法

• 对机械剥离的单层MoSe2纳米片进行了偏振光致发光（PL）测量，以探测谷极化。
• 使用圆偏振光选择性激发特定谷，从而研究谷选择性发射。
• 通过分析左旋与右旋圆偏振光致发光分量的强度比，量化谷极化程度。
• 分析聚焦于不同激子态：A激子、B激子和A三子，以比较其极化行为。
• 利用补充信息和对照实验验证观测到的极化值，并排除人为干扰。
• 基于实验结果对散射过程进行理论解释，以阐明异常极化趋势的成因。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管单层MoSe2与MoS2具有相似的晶体结构和电子性质，为何其谷极化行为显著不同？
• RQ2 为何MoSe2中B激子态的谷极化度高达70%，而A激子的极化度却低于3%？
• RQ3 谷内与谷间散射过程在决定MoSe2中观测到的谷极化中分别起什么作用？
• RQ4 为何A三子表现出微小但有限的负谷极化？
• RQ5 这些极化异常如何影响二维过渡金属二硫属化物中谷电子学应用的潜力？

主要发现

• 单层MoSe2中的B激子表现出高达70%的谷极化，表明在手性光学激发下具有强烈的谷选择性。
• 相比之下，A激子的谷极化度低于3%，表明在相同条件下谷极化极弱。
• A三子表现出微小但有限的负谷极化，暗示存在非平凡的多体效应或散射路径。
• 结果揭示了显著的谷内与谷间散射过程，这些过程强烈影响谷极化，其行为与MoS2显著不同。
• 这些发现为单层MX2材料中复杂激子多体物理提供了新见解。
• MoSe2中异常的极化行为凸显了其在谷电子学应用中的独特潜力，尤其因其B激子具有高且选择性的极化度。