化院博士后李志鵬在 Nature Communications上撰文完善雙激子結(jié)合能理論
近年來，以石墨烯(Graphene)和過渡金屬硫族化合物(Transition metal dichalcogenides, TMDs)為代表的二維材料，因其優(yōu)越的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，激起世界范圍內(nèi)研究人員空前的研究熱情。以WSe2為例，隨著材料逐漸由塊體減薄至單層，其能帶結(jié)構(gòu)由間接帶隙轉(zhuǎn)為直接帶隙，并且由于庫倫相互作用的增強(qiáng)和屏蔽效應(yīng)的減弱，一些比常見半導(dǎo)體擁有更高結(jié)合能的激子(Exciton)，帶電激子(Trion)和雙激子(Biexciton)等都相繼出現(xiàn)。
此外，由于自旋軌道耦合導(dǎo)致價(jià)帶劈裂，在K空間存在兩類不能簡并的能谷，通過激發(fā)光的圓偏振特性，電子的能谷屬性可以非常方便地調(diào)控和探測，這使得能谷也可以成為類似于電荷和自旋的信息載體。通過對(duì)TMDs不同激子的行為進(jìn)行研究，可以為開發(fā)基于TMDs的新型光電器件提供理論支撐。
近日，我院任天輝教授課題組博士后李志鵬與美國倫斯勒理工學(xué)院史夙飛教授合作在Nature Communications發(fā)表了題為“Revealing the biexciton and trion-exciton complexes in BN encapsulated WSe2”的研究論文 (Nat. Commun. (2018) 9:3719, DOI: 10.1038/s41467-018-05863-5)。通過低溫光致發(fā)光光譜 (PL)，在高器件質(zhì)量的BN/WSe2/BN三明治結(jié)構(gòu)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)電中性雙激子和帶負(fù)電雙激子，結(jié)合能分別為17meV和49meV，并揭示了它們在電場和磁場調(diào)控下的光學(xué)行為，解決了前人關(guān)于雙激子結(jié)合能理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符的問題。
首先，通過PL隨入射激光功率和柵極摻雜的變化發(fā)現(xiàn)(圖1)，電中性雙激子和帶負(fù)電雙激子隨功率變化的冪次分別為1.94和1.82；電中性雙激子只出現(xiàn)在本征態(tài)，而帶負(fù)電雙激子則出現(xiàn)在少量電子摻雜區(qū)域。
圖1 入射激光功率和柵極摻雜對(duì)BN/WSe2/BN三明治結(jié)構(gòu)器件PL的影響
其次，通過改變激發(fā)光的圓偏特性觀察PL的能谷極化(圖2 (a))，發(fā)現(xiàn)雙激子和帶負(fù)電雙激子的能谷極化率分別為0.19和0.20，比激子的0.12高。此外，通過PL隨磁場的變化得到雙激子和帶負(fù)電雙激子的g值分別為-4.03和-5.33 (圖2(d)和2(e))，通過與理論值比較并結(jié)合能谷極化特性，確定雙激子和帶負(fù)電雙激子的構(gòu)型分別為圖2(b)和圖2(c)。
圖2 PL的能谷極化和磁場下的塞曼效應(yīng)
該研究揭示了WSe2中各種激子在電場和磁場下的行為，有助于我們提升對(duì)多體物理的認(rèn)識(shí). 高質(zhì)量的樣品中光生電子和空穴通過長程庫倫相互作用力能形成穩(wěn)定的4個(gè)粒子乃至5個(gè)粒，提供了一個(gè)研究低維光生多體物理問題的特殊平臺(tái)。相關(guān)的研究能為開發(fā)基于TMDs的新型量子光電器件提供指導(dǎo)信息。論文的共同一作是李志鵬博士，博士生王天盟。通訊作者是史夙飛教授。該工作的合作者還包括加州大學(xué)伯克利分校金晨皓博士，F(xiàn)SU的博士生陸正光，日本的Taniguchi和Watanabe 博士，倫斯勒理工的張繩百教授和美國高磁場實(shí)驗(yàn)室的Smirnov博士。TMDs 中光生多體問題最近成為二維領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，類似的工作也在同期的Nature Communications發(fā)表 (NAT. COMMUN., (2018) 9:3718; NAT. COMMUN., (2018) 9:3717)。
撰稿：李志鵬
論文鏈接：
Revealing the biexciton and trion-exciton complexes in BN encapsulated WSe2
Zhipeng Li, Tianmeng Wang, Zhengguang Lu, Chenhao Jin, Yanwen Chen, Yuze Meng, Zhen Lian, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Shengbai Zhang, Dmitry Smirnov & Su-Fei Shi
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05863-5
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