Twist Angle-Dependent Intervalley Charge Carrier Transfer and Recombination in Bilayer WS2

化学 离域电子 双层 凝聚态物理 联轴节(管道) 范德瓦尔斯力 重组 分子物理学 物理 分子 材料科学 有机化学 冶金 基因 生物化学
作者
Yonghao Zhu,Oleg V. Prezhdo,Run Long,Wei‐Hai Fang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (41): 22826-22835 被引量:43
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09170
摘要

A twist angle at a van der Waals junction provides a handle to tune its optoelectronic properties for a variety of applications, and a comprehensive understanding of how the twist modulates electronic structure, interlayer coupling, and carrier dynamics is needed. We employ time-dependent density functional theory and nonadiabatic molecular dynamics to elucidate angle-dependent intervalley carrier transfer and recombination in bilayer WS2. Repulsion between S atoms in twisted configurations weakens interlayer coupling, increases the interlayer distance, and softens layer breathing modes. Twisting has a minor influence on K valleys while it lowers Γ valleys and raises Q valleys because their wave functions are delocalized between layers. Consequently, the reduced energy gaps between the K and Γ valleys accelerate the hole transfer in the twisted structures. Intervalley electron transfer proceeds nearly an order of magnitude faster than hole transfer. The more localized wave functions at K than Q values and larger bandgaps result in smaller nonadiabatic couplings for intervalley recombination, making it 3-4 times slower in twisted than high-symmetry structures. B2g breathing, E2g in-plane, and A1g out-of-plane modes are most active during intervalley carrier transfer and recombination. The faster intervalley transfer and extended carrier lifetimes in twisted junctions are favorable for optoelectronic device performance.
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