[论文解读] Bound exciton and free exciton states in GaSe thin slab

Chengrong Wei, Xi Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Solid-state spectroscopy and crystallography参考文献 11被引用 4

一句话总结

本研究在10 K下利用光致发光（PL）和吸收光谱学，研究了GaSe薄膜薄片中的束缚激子和自由激子态。主激子吸收峰与最高能量PL峰之间34 meV的能量差被归因于自由激子态与束缚激子态之间的能隙，且在高达50 K的温度范围内，束缚激子主导了PL发射。非辐射过程的活化能为0.5 meV，被确定为占主导地位的弛豫路径。

ABSTRACT

The photoluminescence (PL) and absorption experiments have been performed in GaSe slab with incident light polarized perpendicular to c-axis of sample at 10K. An obvious energy difference of about 34meV between exciton absorption peak and PL peak (the highest energy peak) is observed. By studying the temperature dependence of PL spectra, we attribute it to energy difference between free exciton and bound exciton states, where main exciton absorption peak comes from free exciton absorption, and PL peak are attributed to recombination of bound exciton at 10K. This strong bound exciton effect is stable up to 50K. Moreover, the temperature dependence of integrated PL intensity and PL lifetime reveals that a non-radiative process, with active energy extracted as 0.5meV, dominates PL emission.

研究动机与目标

• 在低温条件下研究GaSe薄膜薄片中激子态的性质。
• 在光致发光光谱中区分自由激子吸收与束缚激子辐射复合。
• 确定GaSe中束缚激子态的热稳定性。
• 通过分析温度依赖的PL强度和寿命，识别GaSe中占主导地位的非辐射弛豫机制。

提出的方法

• 对GaSe薄膜薄片进行光致发光（PL）和吸收光谱学测量，光的偏振方向垂直于c轴。
• 在10 K下进行实验，以解析精细的光谱特征并最小化热展宽。
• 利用温度依赖的PL测量分析束缚激子态的热稳定性。
• 测量积分PL强度和PL寿命随温度的变化，以提取非辐射弛豫参数。
• 通过PL寿命的阿伦尼乌斯型分析提取非辐射过程的活化能。
• 在10 K下量化主吸收峰（自由激子）与最高PL峰（束缚激子）之间的能量差。

实验结果

研究问题

• RQ1 GaSe薄膜薄片中主激子吸收峰与最高能量PL峰之间观测到的34 meV能量差是由什么引起的？
• RQ2 在温度升高至50 K的过程中，GaSe中束缚激子态的稳定性如何？
• RQ3 GaSe中占主导地位的非辐射弛豫路径是什么，其活化能是多少？
• RQ4 为何在较高温度下观察到PL强度淬灭，这与激子态布居数有何关联？

主要发现

• 在10 K下，主激子吸收峰与最高能量PL峰之间观察到34 meV的能量差，表明自由激子态与束缚激子态之间存在明显的能隙。
• 10 K下的主PL峰归因于束缚激子的辐射复合，而吸收峰则对应于自由激子跃迁。
• 束缚激子效应在高达50 K的温度范围内保持稳定，表明材料中激子具有强局域化特性。
• 积分PL强度与PL寿命的温度依赖性揭示了一种活化能为0.5 meV的主导非辐射弛豫过程。
• 尽管存在束缚激子，非辐射过程仍是高温下PL淬灭的主要机制。
• 结果表明，束缚激子在GaSe薄膜薄片的低温光学响应中起关键作用，对光电器件应用具有重要意义。