Excitons in nonlinear optical responses: shift current in MoS2 and GeS monolayers

单层 激子 非线性光学 非线性系统 电流(流体) 凝聚态物理 材料科学 物理 纳米技术 量子力学 热力学
作者
Juan José Esteve-Paredes,M. A. García-Blázquez,Alejandro José Uría-Álvarez,María Camarasa‐Gómez,J. J. Palacios
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41524-024-01504-2
摘要

It is well-known that exciton effects are determinant to understanding the optical absorption spectrum of low-dimensional materials. However, the role of excitons in nonlinear optical responses has been much less investigated at the experimental level. Additionally, computational methods to calculate nonlinear conductivities in real materials are still not widespread, particularly taking into account excitonic interactions. We present a methodology to calculate the excitonic second-order optical responses in 2D materials relying on: (i) ab initio tight-binding Hamiltonians obtained by Wannier interpolation and (ii) solving the Bethe-Salpeter equation with effective electron-hole interactions. Here, in particular, we explore the role of excitons in the shift current of monolayer materials. Focusing on MoS2 and GeS monolayer systems, our results show that 2p-like excitons, which are dark in the linear response regime, yield a contribution to the photocurrent comparable to that of 1s-like excitons. Under radiation with intensity ~104W/cm2, the excitonic theory predicts in-gap photogalvanic currents of almost ~10 nA in sufficiently clean samples, which is typically one order of magnitude higher than the value predicted by independent-particle theory near the band edge.
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