Exciton g factors of van der Waals heterostructures from first-principles calculations

激子 范德瓦尔斯力 异质结 凝聚态物理 堆积 物理 激发 单层 半导体 基准集 材料科学 量子力学 纳米技术 核磁共振 分子
作者
Tomasz Woźniak,Paulo E. Faria,Gotthard Seifert,Andrey Chaves,Jens Kunstmann
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:101 (23) 被引量:115
标识
DOI:10.1103/physrevb.101.235408
摘要

External fields are a powerful tool to probe optical excitations in a material. The linear energy shift of an excitation in a magnetic field is quantified by its effective g-factor. Here we show how exciton g-factors and their sign can be determined by converged first principles calculations. We apply the method to monolayer excitons in semiconducting transition metal dichalcogenides and to interlayer excitons in MoSe$_2$/WSe$_2$ heterobilayers and obtain good agreement with recent experimental data. The precision of our method allows to assign measured g-factors of optical peaks to specific transitions in the band structure and also to specific regions of the samples. This revealed the nature of various, previously measured interlayer exciton peaks. We further show that, due to specific optical selection rules, g-factors in van der Waals heterostructures are strongly spin- and stacking-dependent. The calculation of orbital angular momenta requires the summation over hundreds of bands, indicating that for the considered two-dimensional materials the basis set size is a critical numerical issue. The presented approach can potentially be applied to a wide variety of semiconductors.

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