Trion Photoluminescence and Trion Stability in Atomically Thin Semiconductors

三极管 光致发光 激子 物理 单层 电子 兴奋剂 半导体 结合能 凝聚态物理 原子物理学 材料科学 量子力学 光电子学 纳米技术
作者
Raül Perea‐Causín,Samuel Brem,Ole Schmidt,Ermin Malić
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:132 (3) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevlett.132.036903
摘要

The optical response of doped monolayer semiconductors is governed by trions, i.e. photoexcited electron-hole pairs bound to doping charges. While their photoluminescence (PL) signatures have been identified in experiments, a microscopic model consistently capturing bright and dark trion peaks is still lacking. In this work, we derive a generalized trion PL formula on a quantum-mechanical footing, considering direct and phonon-assisted recombination mechanisms. We show the trion energy landscape in ${\mathrm{WSe}}_{2}$ by solving the trion Schr\"odinger equation. We reveal that the mass imbalance between equal charges results in less stable trions exhibiting a small binding energy and, interestingly, a large energetic offset from exciton peaks in PL spectra. Furthermore, we compute the temperature-dependent PL spectra for $n$- and $p$-doped monolayers and predict yet unobserved signatures originating from trions with an electron at the $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$ point. Our work presents an important step toward a microscopic understanding of the internal structure of trions determining their stability and optical fingerprint.
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