Fundamental limits of exciton-exciton annihilation for light emission in transition metal dichalcogenide monolayers

单层 激子 材料科学 发光 消灭 过渡金属 光发射 半导体 凝聚态物理 光电子学 纳米技术 物理 化学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Yiling Yu,Chao Xu,Andy Barrette,Kenan Gündoğdu,Linyou Cao
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:93 (20) 被引量:139
标识
DOI:10.1103/physrevb.93.201111
摘要

We quantitatively illustrate the fundamental limit that exciton-exciton annihilation (EEA) may impose to the light emission of monolayer transition metal dichalcogenide (TMDC) materials. The EEA in TMDC monolayers shows dependence on the interaction with substrates as its rate increases from 0.1 cm2/s (0.05 cm2/s) to 0.3 cm2/s (0.1 cm2/s) with the substrates removed for WS2 (MoS2) monolayers. It turns to be the major pathway of exciton decay and dominates the luminescence efficiency when the exciton density is beyond 1010 cm-2 in suspended monolayers or 1011 cm-2 in supported monolayers. This sets an upper limit on the density of injected charges in light emission devices for the realization of optimal luminescence efficiency. The strong EEA rate also dictates the pumping threshold for population inversion in the monolayers to be 12-18 MW/cm2 (optically) or 2.5-4x105 A/cm2 (electrically).
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