Visualizing Orbital Content of Electronic Bands in Anisotropic 2D Semiconducting ReSe2

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作者
Byoung Ki Choi,Søren Ulstrup,Surani M. Gunasekera,Jiho Kim,Soo Yeon Lim,Luca Moreschini,Ji Seop Oh,Seung‐Hyun Chun,Chris Jozwiak,Aaron Bostwick,Eli Rotenberg,Hyeonsik Cheong,In‐Whan Lyo,Marcin Mucha‐Kruczyński,Young Jun Chang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (7): 7880-7891 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c01054
摘要

Many properties of layered materials change as they are thinned from their bulk forms down to single layers, with examples including indirect-to-direct band gap transition in 2H semiconducting transition metal dichalcogenides as well as thickness-dependent changes in the valence band structure in post-transition metal monochalcogenides and black phosphorus. Here, we use angle-resolved photoemission spectroscopy to study the electronic band structure of monolayer ReSe$_{2}$, a semiconductor with a distorted 1T structure and in-plane anisotropy. By changing the polarization of incoming photons, we demonstrate that for ReSe$_{2}$, in contrast to the 2H materials, the out-of-plane transition metal $d_{z^{2}}$ and chalcogen $p_{z}$ orbitals do not contribute significantly to the top of the valence band which explains the reported weak changes in the electronic structure of this compound as a function of layer number. We estimate a band gap of 1.7 eV in pristine ReSe$_{2}$ using scanning tunneling spectroscopy and explore the implications on the gap following surface-doping with potassium. A lower bound of 1.4 eV is estimated for the gap in the fully doped case, suggesting that doping-dependent many-body effects significantly affect the electronic properties of ReSe$_{2}$. Our results, supported by density functional theory calculations, provide insight into the mechanisms behind polarization-dependent optical properties of rhenium dichalcogenides and highlight their place amongst two-dimensional crystals.

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