[论文解读] Extraordinarily bound quasi-one-dimensional trions in two-dimensional phosphorene atomic semiconductors

Shuang Zhang, Renjing Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2014

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

该论文展示了在室温下，少层黑磷在各向异性、准一维（1D）电子结构的支撑下，表现出极为巨大的三子束缚能（190 meV）。这种强束缚能源于维度降低和屏蔽增强，使得其能够实现稳定、线性偏振的发光，且光致发光可电调谐，为研究低维多体效应提供了一个2D平台，相较于传统1D材料具有实际的光电子优势。

ABSTRACT

The anisotropic nature of the new two-dimensional (2D) material phosphorene, in contrast to other 2D materials such as graphene and transition metal dichalcogenide (TMD) semiconductors, allows excitons to be confined in a quasi-one-dimensional (1D) space predicted in theory, leading to remarkable phenomena arising from the reduced dimensionality and screening. Here, we report a trion (charged exciton) binding energy of 190 meV in few-layer phosphorene at room temperature, which is nearly one to two orders of magnitude larger than those in 2D TMD semiconductors (20-30 meV) and quasi-2D quantum wells (1-5 meV). Such a large binding energy has only been observed in truly 1D materials such as carbon nanotubes, whose optoelectronic applications have been severely hurdled by their intrinsically small optical cross-sections. Phosphorene offers an elegant way to overcome this hurdle by enabling quasi-1D excitonic and trionic behaviors in a large 2D area, allowing optoelectronic integration. We experimentally validated the quasi-1D nature of excitonic and trionic dynamics in phospherene by demonstrating completely linearly polarized light emission from excitons and trions. The implications of the extraordinarily large trion binding energy in a higher-than-one-dimensional material are far-reaching. It provides a room-temperature 2D platform to observe the fundamental many-body interactions in the quasi-1D region. The strong photoluminescence emission in phosphorene has been electrically tuned over a large spectral range at room temperature, which opens a new route for tunable light sources.

研究动机与目标

• 探索由于其各向异性电子结构，二维黑磷中强束缚激子态和三子态的产生。
• 研究黑磷中准一维（1D）限制是否可导致三子束缚能与真正1D体系（如碳纳米管）相当。
• 通过实验展示黑磷中的三子表现出线性偏振光致发光，证实其准1D特性。
• 确立黑磷作为在室温下研究低维环境中多体相互作用的可行2D平台。
• 通过黑磷中强而稳定的三子发光，实现电调谐、室温工作的光源。

提出的方法

• 在环境条件下对少层黑磷纳米片进行光致发光光谱的实验测量。
• 通过偏振依赖发光分析，确认三子发射的线性偏振特性，表明存在各向异性、准一维限制。
• 将黑磷中的三子束缚能与二维过渡金属二硫属化物（TMDs，20–30 meV）和准二维量子阱（1–5 meV）中的值进行比较。
• 利用角度分辨光学光谱探测激子态和三子态的各向异性特性。
• 在室温下评估光致发光发射在宽光谱范围内的电调谐性能。
• 通过理论建模解释由于准1D区域中维度降低和介电屏蔽增强，导致束缚能增强的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在像黑磷这样的二维原子半导体中实现准一维三子态，其束缚能与真正1D材料（如碳纳米管）相当？
• RQ2 在室温下，少层黑磷中的三子束缚能大小是多少？与其它2D和准2D体系相比如何？
• RQ3 黑磷的各向异性电子结构是否导致三子发射出线性偏振光，从而证实其准1D特性？
• RQ4 能否在室温下对黑磷中强而稳定的三子发光实现宽光谱范围的电调谐？
• RQ5 如此巨大的束缚能对研究低维系统中多体相互作用有何意义？

主要发现

• 在室温下，少层黑磷中的三子束缚能达到190 meV，比二维TMD半导体（20–30 meV）和准二维量子阱（1–5 meV）高出近一到两个数量级。
• 观测到的三子发光完全为线性偏振，实验上证实了黑磷中激子和三子动力学的准一维特性。
• 强束缚能使得室温下光致发光具有高鲁棒性，克服了典型二维材料中激子效应微弱的局限。
• 在室温下实现了宽光谱范围的电调谐光致发光，为可调谐光源的潜在应用铺平了道路。
• 黑磷提供了一个2D平台，可支持强光学活性的准1D多体效应，相较于传统1D材料（如碳纳米管）具有优势。
• 结果表明，黑磷使在室温下研究准1D区域中的基本多体相互作用成为可能，这一领域此前在二维材料中尚不可及。