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Spontaneous Exciton Dissociation in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers

激子 光激发 单层 材料科学 激发态 凝聚态物理 结合能 原子物理学 分子物理学 化学 物理 纳米技术
作者
Taketo Handa,Madisen Holbrook,Nicholas Olsen,Luke N. Holtzman,L. Huber,Hai I. Wang,Mischa Bonn,Katayun Barmak,James Hone,Abhay N. Pasupathy,Xiaoyang Zhu
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2306.10814
摘要

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.

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