[论文解读] Non-Hydrogenic Exciton Rydberg Series in Monolayer WS2

Alexey Chernikov, Timothy C. Berkelbach+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2014

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本研究通过实验测量了单层WS2中的基态及前四个激发激子态，揭示了0.32 eV的较大激子结合能以及与类氢里德伯行为的显著偏差。通过考虑非局域介电屏蔽的微观理论，作者解释了非常规的电子-空穴相互作用，这类作用在原子级薄的二维半导体中预计普遍存在。

ABSTRACT

We have determined experimentally the energies of the ground and first four excited excitonic states of the fundamental optical transition in monolayer WS2, a model system for the growing class of atomically thin two-dimensional semiconductor crystals. From the spectra, we establish a large exciton binding energy of 0.32 eV and a pronounced deviation from the usual hydrogenic Rydberg series of energy levels of the excitonic states. We explain both of these results using a microscopic theory in which the non-local nature of the effective dielectric screening modifies the functional form of the Coulomb interaction. These strong but unconventional electron-hole interactions are expected to be ubiquitous in atomically thin materials.

研究动机与目标

• 通过实验确定单层WS2中基态及前四个激发激子态的能量。
• 研究原子级薄二维半导体中激子结合能及能级结构的性质。
• 利用电子-空穴相互作用的微观理论，解释WS2中偏离类氢里德伯系列的原因。
• 阐明非局域介电屏蔽在调控二维材料中库仑相互作用中的作用。

提出的方法

• 利用高分辨率光学光谱测量单层WS2中激子态的能量。
• 通过测量到的能级间距实验提取激子结合能。
• 开发一种包含非局域介电屏蔽效应的微观多体理论。
• 使用非局域介电函数计算有效库仑相互作用，以模拟二维系统中的屏蔽效应。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以验证修改后库仑相互作用模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层WS2中基态及前四个激发激子态的实验测量能量是多少？
• RQ2 为何单层WS2中的激子能级结构与类氢里德伯系列存在显著偏差？
• RQ3 非局域介电屏蔽如何改变原子级薄二维半导体中有效电子-空穴相互作用？
• RQ4 单层WS2中激子结合能的大小是多少？与体材料或其他二维材料相比有何差异？

主要发现

• 单层WS2中的激子结合能被实验测定为0.32 eV，显著高于体半导体中的值。
• 激子态的能级表现出与类氢里德伯系列的明显偏差，表明电子-空穴相互作用非标准。
• 该偏差可通过考虑二维材料中介电屏蔽非局域特性的微观理论加以解释。
• WS2中有效库仑相互作用因非局域屏蔽而被修改，导致更强且非典型的激子结合。
• 由于其独特的介电响应，这类非典型电子-空穴相互作用预计在原子级薄二维半导体中广泛存在。