[论文解读] Localization-induced optical properties of monolayer transition-metal dichalcogenides

Dinh Van Tuan, Hanan Dery|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本文提出，单层过渡金属二硫属化物（ML-TMDs）中的局域电子通过虚三离子态显著增强声子辅助的双激子复合过程，从而解释了近期在单层WSe2中观测到的光致发光实验结果。该机制由强电子-声子耦合与局域杂质共同驱动，可解释低能发射峰，并预测磁场所依赖的发射特性。

ABSTRACT

Impurities play an important role during recombination processes in semiconductors. Their important role is sharpened in atomically-thin transition-metal dichalcogenides whose two-dimensional character renders electrons and holes highly susceptible to localization caused by remote charged impurities. We study a multitude of phenomena that arise from the interaction of localized electrons with excitonic complexes. Emphasis is given to the amplification of the phonon-assisted recombination of biexcitons when it is mediated by localized electrons, showing that this mechanism can explain recent photoluminescence experiments in ML-WSe$_2$. In addition, the magnetic-field dependence of this mechanism is analyzed. The results of this work point to (i) an intriguing coupling between the longitudinal-optical and homopolar phonon modes that can further elucidate various experimental results, (ii) the physics behind a series of localization-induced optical transitions in tungsten-based materials, and (iii) the importance of localization centers in facilitating the creation of biexcitons and exciton-exciton annihilation processes.

研究动机与目标

• 解释高质量单层WSe2器件中无法归因于标准激子态的异常低能光致发光峰。
• 研究局域电子在增强二维半导体中声子辅助复合过程中的作用。
• 阐明钨基TMDs中观测到的发射特征的起源，特别是位于中性激子峰以下约43 meV处的特征。
• 建立一个将电子局域化、激子复合物与光学响应联系起来的理论框架。
• 分析所提出复合机制的磁场依赖性及其对实验可观测量的含义。

提出的方法

• 构建了一个多体哈密顿量，通过弗罗因德利希相互作用引入单层WSe2中的电子-声子耦合。
• 采用单粒子波函数的变分方法，模拟局域电子及其与激子的相互作用。
• 应用自洽变分方法（SVM）计算离域的少体复合物（激子、三离子、双激子）的结合能，采用真实的有效质量和介电屏蔽。
• 将声子辅助复合过程建模为两步机制：(1) 局域电子捕获一个激子形成虚三离子态，(2) 辐射一个光子和一个纵光学（LO）声子。
• 使用实验测得的参数：WSe2中LO声子能量为32 meV，玻恩有效电荷Z = -1.16，晶格常数a = 3.2 Å。
• 通过与磁吸收光谱和光致发光实验的实测数据对比，验证了模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何高质量单层WSe2器件在中性激子峰以下约43 meV处表现出低能光致发光峰，尽管该能量处不存在三离子态？
• RQ2 局域电子如何介导双激子的声子辅助复合？在何种条件下可最大化该过程？
• RQ3 电子局域化在增强二维半导体中声子辅助跃迁的振子强度方面起什么作用？
• RQ4 发射光谱的磁场依赖性如何反映局域电子介导的复合机制的内在机制？
• RQ5 为何WSe2中亮负三离子的结合能高于暗负三离子？这与有效质量差异有何关联？

主要发现

• 通过局域电子介导的声子辅助双激子复合过程，可解释单层WSe2中约43 meV的发射峰，该能量与拉曼和DFT研究测得的LO声子能量（44 meV）高度一致。
• 当局域电子被紧密束缚且中间虚三离子态与真实三离子态共振时，该机制显著增强。
• 在hBN封装的单层WSe2中，计算得到的中性激子（178 meV）和双激子（17.4 meV）结合能与磁吸收光谱实验值高度吻合。
• 该模型预测亮激子与暗激子之间存在17.2 meV的能量分裂，与实验观测到的40–43 meV发射线间距一致，当与自旋分裂能Δ = 23–26 meV结合时成立。
• 亮负三离子的结合能（34.9 meV）与经验值35 meV高度一致，验证了模型的预测能力。
• 由于导带底部谷中电子的有效质量较大，暗负三离子的结合能（25.6 meV）低于亮负三离子，导致其在三离子形成时结合增强效应减弱。