[论文解读] Identifying optical signatures of momentum-dark excitons in transition metal dichalcogenide monolayers

Jessica Lindlau, Cédric Robert+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

2D Materials and Applications被引用 17

一句话总结

本文提出，过渡金属二硫属化物（TMD）单层中未识别的光致发光（PL）峰源于动量暗激子的声子辅助辐射复合——即由一个谷中的电子与另一个谷中的空穴形成的激子。通过建模这些暗激子的声学与光学声子边带，作者实现了对实验PL光谱的定量拟合，解决了TMD光学响应中长期存在的模糊性，并将强烈的、未分配的峰解释为动量暗态的复制品，而非缺陷相关特征。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers (MLs) exhibit rich photoluminescence spectra associated with interband optical transitions of direct-gap semiconductors. Upon absorption of photons, direct excitons with zero center-of-mass momentum are formed by photo-excited electrons in the conduction band and the respective unoccupied states in the valence band of the same valley. Different spin configurations of such momentum-direct excitons as well as their charged counterparts provide a powerful platform for spin-valley and microcavity physics in two-dimensional materials. The corresponding spectral signatures, however, are insufficient to explain the main characteristic peaks observed in the photoluminescence spectra of ML TMDs on the basis of momentum- extit{direct} excitons alone. Here, we show that the notion of momentum- extit{indirect} excitons is important for the understanding of the versatile photoluminescence features. Taking into account phonon-assisted radiative recombination pathways for electrons and holes from dissimilar valleys, we interpret unidentified peaks in the emission spectra as acoustic and optical phonon sidebands of momentum-dark excitons. Our approach will facilitate the interpretation of optical, valley and spin phenomena in TMDs arising from bright and dark exciton manifolds.

研究动机与目标

• 解决过渡金属二硫属化物（TMD）单层光致发光（PL）光谱中长期存在的模糊性，即某些强峰无法仅用亮激子解释。
• 研究动量暗激子——具有非零质心动量的激子——的作用，其辐射跃迁通常被禁止，但可通过声子辅助实现。
• 通过将动量暗激子的声子边带纳入光谱模型，为WSe2和WS2单层中的未分配PL特征提供统一解释。
• 通过区分亮激子与暗激子多体态的贡献，改进对TMD中光学、谷极化和自旋现象的解释。
• 利用高质量hBN封装的TMD单层（具有可调电荷且光谱展宽减小）验证模型。

提出的方法

• 将光致发光光谱建模为动量直接激子（X, D）的零声子线（ZPLs）与动量暗激子的声子边带之和，这些暗激子由Q-口袋或K′-谷中的电子与K-谷中的空穴形成。
• 通过面内横波（TA）和纵波（LA）声学声子以及光学声子计算声子辅助复合路径，通过声子模式的q-矢量强制满足动量守恒。
• 对WSe2和WS2单层的实验PL数据应用拟合程序，调整ΔXQ（Q-激子能级能量）、交换分裂和声子耦合强度等参数以匹配观测光谱。
• 该模型假设所有动量暗激子具有相同的线宽，尽管承认这是一项目简化，可能影响定量准确性。
• 利用理论估算的声子模式和能带结构来约束能级位置和耦合强度，并通过双层WSe2和MoSe2-WSe2异质结的低温光谱进行验证。
• 考虑二阶及更高阶声子过程，但仅限于净动量匹配Q或K点的组合，依据初始电子谷和声子发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何TMD单层中某些强烈的光致发光峰在已知亮激子贡献下仍无法被分配？
• RQ2 声子辅助复合能否解释WSe2和WS2中动量暗激子的光谱特征？
• RQ3 在WSe2和WS2单层中，动量暗激子Q-激子相对于亮X和D激子的能量位置为何？
• RQ4 声学与光学声子边带如何贡献于整体PL光谱，特别是在自旋禁阻激子态存在的情况下？
• RQ5 将动量暗激子纳入模型在多大程度上可解决TMD PL光谱中中性与带电激子贡献去卷积的模糊性？

主要发现

• 第一种情形（Q-激子能级位于亮激子以下19 meV处，ΔXQ ≈ 19 meV）比将其置于亮态之上的情形更优地拟合了WSe2单层的PL光谱。
• 在WS2中，第二种情形（即Q-激子位于D与X态之间）提供了更优的拟合，并解释了X峰下方的第一个弱PL峰为Ql-激子的声学声子边带。
• 该模型成功减小了早期拟合中观察到的X与K′u态之间过大且不合理的交换分裂，使其更符合理论预测。
• 动量暗激子的光学声子边带被发现与WS2中X与D之间最强的PL峰合并，无需引入缺陷局域化即可解释其高强度。
• 即使在假设所有动量暗激子具有均匀线宽等简化条件下，该模型与实验光谱在定性和定量上均表现出稳健的一致性。
• 本研究证实动量暗激子是解释TMD单层中复杂PL特征（尤其是WSe2和WS2）的关键，并为未来高精度光谱学的解释提供了理论框架。