Excitonic properties of semiconducting monolayer and bilayer MoTe2

激子 单层 双层 光致发光 物理 带隙 凝聚态物理 激发 材料科学 化学 纳米技术 光学 量子力学 生物化学
作者
Cédric Robert,Raphaël Picard,David Lagarde,Xiaogang Wang,J. P. Echeverry,Fabian Cadiz,P. Renucci,Alexander Högele,T. Amand,X. Marié,Iann C. Gerber,B. Urbaszek
出处
期刊:Physical review 卷期号:94 (15) 被引量:70
标识
DOI:10.1103/physrevb.94.155425
摘要

$\mathrm{MoT}{\mathrm{e}}_{2}$ belongs to the semiconducting transition-metal dichalcogenide family with certain properties differing from the other well-studied members $(\mathrm{Mo},\mathrm{W}){(\mathrm{S},\mathrm{Se})}_{2}$. The optical band gap is in the near-infrared region, and both monolayers and bilayers may have a direct optical band gap. We first simulate the single-particle band structure of both monolayer and bilayer $\mathrm{MoT}{\mathrm{e}}_{2}$ with density-functional-theory-$GW$ calculations. We find a direct (indirect) electronic band gap for the monolayer (bilayer). By solving in addition the Bethe-Salpeter equation, we find similar energies for the direct exciton transitions in monolayers and bilayers. We then study the optical properties by means of photoluminescence (PL) excitation, reflectivity, time-resolved PL, and power-dependent PL spectroscopy. With differential reflectivity, we find a similar oscillator strength for the optical transition observed in PL in both monolayers and bilayers suggesting a direct transition in both cases. We identify the same energy for the $B$-exciton state in the monolayer and the bilayer. Following circularly polarized excitation, we do not find any exciton polarization for a large range of excitation energies. At low temperatures $(T=\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}10\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{K})$, we measure similar PL decay times on the order of 4 ps for both monolayer and bilayer excitons with a slightly longer one for the bilayer. Finally, we observe a reduction of the exciton-exciton annihilation contribution to the nonradiative recombination in bilayers.
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