[论文解读] Broadband pump-probe study of biexcitons in chemically exfoliated layered WS$_{2}$

Rup Kumar Chowdhury, Snehasish Nandy+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 59被引用 16

一句话总结

本研究采用宽带飞秒泵浦-探测光谱技术，研究室温下化学机械剥离的单层至四层WS₂中激子的超快动力学行为。实验确认了双激子的存在，其结合能分别为~69 meV（AA）和~66 meV（BB），与理论预测高度一致，并揭示了激子与双激子具有不同的非辐射与辐射寿命，证明其在室温下具有稳定性，对二维光电器件具有重要意义。

ABSTRACT

Strong light-matter interactions in layered transition metal dichalcogenides (TMDs) open up vivid possibilities for novel exciton-based devices. The optical properties of TMDs are dominated mostly by the tightly bound excitons and more complex quasiparticles, the biexcitons. Instead of physically exfoliated monolayers, the solvent-mediated chemical exfoliation of these 2D crystals is a cost-effective, large-scale production method suitable for real device applications. We explore the ultrafast excitonic processes in WS$_{2}$ dispersion using broadband femtosecond pump-probe spectroscopy at room temperature. We detect the biexcitons experimentally and calculate their binding energies, in excellent agreement with earlier theoretical predictions. Using many-body physics, we show that the excitons act like Weiner-Mott excitons and explain the origin of excitons via first-principles calculations. Our detailed time-resolved investigation provides ultrafast radiative and non-radiative lifetimes of excitons and biexcitons in WS$_{2}$. Indeed, our results demonstrate the potential for excitonic quasiparticle-controlled TMDs-based devices operating at room temperature.

研究动机与目标

• 研究室温下化学剥离WS₂中激子与双激子的超快动力学行为。
• 通过实验确认单层至四层WS₂中双激子的存在，并测量其结合能。
• 利用时间分辨光谱测定激子与双激子的辐射与非辐射衰变寿命。
• 阐明多体相互作用及短程库仑力在二维WS₂中激子行为演化中的作用。
• 通过从头算计算验证理论预测的双激子结合能与激子形成机制。

提出的方法

• 采用波长为405 nm的泵浦光与350–750 nm白光探测光的宽带飞秒泵浦-探测光谱，测量瞬态吸收（TAS）动力学。
• 利用200 fs的仪器响应函数（IRF）对时间分辨TAS信号进行反卷积，提取衰减组分。
• 采用三指数衰减模型拟合TAS数据，以区分非辐射（T₁, T₂）与辐射（T₃）复合过程。
• 进行密度泛函理论（DFT）计算，分析能带简并性、自旋-轨道耦合效应，以及A、B和C激子的起源。
• 将实验测得的峰位移动与多体相互作用（包括激子冷却及泵浦功率依赖的红移）相关联。
• 通过峰位移动计算双激子结合能，并与理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，化学剥离的单层至四层WS₂中是否存在双激子？
• RQ2 化学剥离WS₂中AA与BB双激子的结合能是多少？与理论预测相比如何？
• RQ3 激子与双激子的辐射与非辐射寿命在WS₂中存在何种差异？B激子寿命异常降低的原因是什么？
• RQ4 多体相互作用（如库仑屏蔽与泡利不相容效应）在调控二维WS₂中激子准粒子超快动力学中起什么作用？
• RQ5 激发态吸收（ESA）与双激子跃迁的存在如何影响WS₂中辐射复合动力学？

主要发现

• 实验确认化学剥离WS₂中存在双激子，其结合能分别为~69 meV（AA）和~66 meV（BB），与理论预测高度一致。
• A与C激子的辐射寿命约为纳秒量级，而B激子的辐射寿命显著缩短至~300 ps，这是由于其与ESA及BB双激子态发生强耦合所致。
• 所有激子与双激子态的非辐射衰减组分（T₁与T₂）相似，表明其通过缺陷态存在共同的弛豫路径。
• AA双激子约90 meV、BB双激子约80 meV的泵浦功率依赖红移，源于准粒子间的多体相互作用。
• 激子冷却在BB双激子峰处引起约90 meV的蓝移，证实热弛豫在准粒子演化中的关键作用。
• 从头算DFT计算表明，自旋-轨道耦合及K与K′点处的能带简并性在单层至四层WS₂中均得以保持，支持A、B与C激子通过短程库仑相互作用形成，类似于威纳-莫特激子。