[论文解读] Spontaneous Exciton Dissociation in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers

Taketo Handa, Madisen Holbrook+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究表明，在高质量过渡金属二硫属化合物（TMDC）单层中，高达10%的光激发激子在0.2纳秒内自发解离为自由电荷载流子，该过程由中间能级缺陷态通过陷阱辅助的俄歇散射驱动。该发现解决了长期以来关于TMDC中激子结合能较大却仍能产生光电流的谜题，揭示了只有在缺陷密度极低时，本征激子行为才会占主导地位。

ABSTRACT

Since the seminal work on MoS2 monolayers, photoexcitation in atomically-thin transition metal dichalcogenides (TMDCs) has been assumed to result in excitons with large binding energies (~ 200-600 meV). Because the exciton binding energies are order-of-magnitude larger than thermal energy at room temperature, it is puzzling that photocurrent and photovoltage generation have been observed in TMDC-based devices, even in monolayers with applied electric fields far below the threshold for exciton dissociation. Here, we show that the photoexcitation of TMDC monolayers results in a substantial population of free charges. Performing ultrafast terahertz (THz) spectroscopy on large-area, single crystal WS2, WSe2, and MoSe2 monolayers, we find that ~10% of excitons spontaneously dissociate into charge carriers with lifetimes exceeding 0.2 ns. Scanning tunnelling microscopy reveals that photo-carrier generation is intimately related to mid-gap defect states, likely via trap-mediated Auger scattering. Only in state-of-the-art quality monolayers14, with mid-gap trap densities as low as 10^9 cm^-2, does intrinsic exciton physics start to dominate the THz response. Our findings reveal that excitons or excitonic complexes are only the predominant quasiparticles in photo-excited TMDC monolayers at the limit of sufficiently low defect densities.

研究动机与目标

• 解决在室温下激子结合能（约200–600 meV）远超热能的情况下，TMDC单层中仍能产生光电流的悖论。
• 研究缺陷在实现本征激子体系中电荷分离的作用。
• 确定在何种条件下本征激子物理行为在单层TMDC中占据主导，而非缺陷介导的电荷生成。
• 量化在WS2、WSe2和MoSe2单层中通过自发解离生成的自由电荷载流子的产率和寿命。

提出的方法

• 采用超快太赫兹（THz）光谱技术，探测大面域、单晶WS2、WSe2和MoSe2单层的瞬态光电响应。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）将局域电子结构与光生载流子动力学相关联。
• 比较不同中间能级缺陷密度的单层样品，缺陷密度范围从常规到最先进的质量（低至10^9 cm⁻²）。
• 通过时间分辨太赫兹电导率测量，提取光激发后自由电荷载流子的产率和寿命。
• 通过陷阱辅助俄歇散射的理论建模，解释观测到的电荷生成机制。
• 通过STM量化缺陷密度，并将其与太赫兹响应中激子与自由载流子特征的程度相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高质量TMDC单层中，光激发激子中有多少比例会自发解离为自由载流子？
• RQ2 中间能级缺陷态如何在TMDC单层中介导激子向自由电荷载流子的解离？
• RQ3 为何在施加电场低于场致激子解离阈值时，仍能在TMDC单层中观测到光电流？
• RQ4 在何种缺陷密度下，本征激子行为开始在TMDC单层中占据主导，取代缺陷介导的电荷生成？
• RQ5 通过自发解离生成的自由电荷载流子的寿命是多少？

主要发现

• 通过超快太赫兹光谱测量发现，在高质量TMDC单层中，约10%的光激发激子自发解离为自由电荷载流子。
• 通过自发解离生成的自由电荷载流子寿命超过0.2纳秒，表明光电响应中存在长寿命组分。
• 解离过程由中间能级缺陷态介导，该结论得到扫描隧道显微镜结果以及缺陷密度与载流子产率相关性的证实。
• 在中间能级陷阱密度低至10^9 cm⁻²的单层中，本征激子物理行为开始主导太赫兹响应，表明缺陷完全消除行为的阈值。
• 观测到的光电流和光生电压并非源于场致解离，而是由缺陷辅助的自发解离所驱动。
• 本研究确立了，除非缺陷密度足够低，否则激子或激子复合物并非光激发TMDC单层中的主导准粒子。