Exciton Radiative Lifetimes in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides

激子 单层 辐射传输 异质结 材料科学 皮秒 双层 过渡金属 纳秒 电子 二硒化钨 凝聚态物理 分子物理学 化学 光电子学 物理 纳米技术 光学 催化作用 量子力学 激光器 生物化学
作者
Maurizia Palummo,Marco Bernardi,Jeffrey C. Grossman
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 2794-2800 被引量:642
标识
DOI:10.1021/nl503799t
摘要

Light emission in two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) changes significantly with the number of layers and stacking sequence. While the electronic structure and optical absorption are well understood in 2D-TMDs, much less is known about exciton dynamics and radiative recombination. Here, we show first-principles calculations of intrinsic exciton radiative lifetimes at low temperature (4 K) and room temperature (300 K) in TMD monolayers with the chemical formula MX2 (X = Mo, W, and X = S, Se), as well as in bilayer and bulk MoS2 and in two MX2 heterobilayers. Our results elucidate the time scale and microscopic origin of light emission in TMDs. We find radiative lifetimes of a few picoseconds at low temperature and a few nanoseconds at room temperature in the monolayers and slower radiative recombination in bulk and bilayer than in monolayer MoS2. The MoS2/WS2 and MoSe2/WSe2 heterobilayers exhibit very long-lived (∼20–30 ns at room temperature) interlayer excitons constituted by electrons localized on the Mo-based and holes on the W-based monolayer. The wide radiative lifetime tunability, together with the ability shown here to predict radiative lifetimes from computations, hold unique potential to manipulate excitons in TMDs and their heterostructures for application in optoelectronics and solar energy conversion.
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