Abstract

Atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDCs) like MX<sub>2</sub> (M = W or Mo, X = S or Se) are well-known examples of two-dimensional (2D) semiconductors. They have attracted wide and long-lasting attention due to the strong light-matter interaction and unique spin-valley locking characteristics. In the 2D limit, the reduced dielectric screening significantly enhances the Coulomb interaction. The optical properties of monolayer TMDCs are thus dominated by excitons, the tightly bound electron-hole pairs. In this work, we briefly overview the history and recent research progress of optical spectroscopy studies on TMDCs. We first introduce the layer-dependent band structure and the corresponding modifications on optical transitions, and briefly mention the effects of external magnetic fields and the charge doping on excitons. We then introduce a novel sensing technique enabled by the sensitivity of excitons to the dielectric environment. The exciton excited states (Rydberg states) observed in monolayer TMDCs have large Bohr radii (> few nm), where the electric field lines between electron-hole pairs well extends out of the material. Hence the Coulomb interaction (which affects the quasiparticle band gap and exciton binding energies) in the monolayer TMDC is sensitive to the dielectric environment, making the excitons in 2D semiconductor an efficient quantum sensor in probing dielectric properties of the surroundings. The method is of high spatial resolution and only diffraction limited. We enumerate the applications of monolayer WSe<sub>2</sub> dielectric sensor in detecting the secondary Dirac point of graphene induced by the graphene-hBN superlattice potential, as well as the fractional correlated insulating states emerging in WS<sub>2</sub>/WSe<sub>2</sub> moiré superlattices. Meanwhile, a unified framework for describing the many-body interactions and dynamical screenings in the system is still lacking. Future theoretical and experimental efforts are needed for a complete understanding. Finally, we further discuss the perspectives and potential applications of this non-destructive and efficient dielectric sensing method.

Highlights

  • We then introduce a novel sensing technique enabled by the sensitivity of excitons to the dielectric environment

  • 1) (Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) 2) (School of Physics, Nankai University, Tianjin 300191, China)

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Summary

TMDCs 简介

对于 TMDCs 的研究已有相当长的历史. 早 在 1923 年, Dickinson 和 Pauling [20] 就首先给出了 MoS2 的晶体结构; 19 世纪 60 年代晚期, 已有接近 60 种 TMDCs 被发现, 其中大多都是层状结构 [21]; 对 MoS2 的胶带法减薄, 可追溯至 1963 年 [22]; 直到 2004 年, 单层石墨烯的成功解理以及一系列相关 的技术, 又为层状材料 TMDCs 的研究带来了新的 活力 [1]. 特别是在 2010 年, Splendiani 等 [23] 和 Mak 等 [24] 发现单层的 MoS2 是一种直接带隙半导体, 使该体系收到了广泛关注. 目前, 对于最受关注的 4 种二维半导体 TMDCs(金属原子为 Mo, W, 硫 族原子为 S, Se), 其直接带隙半导体的特征, 以及 独特的谷对比特性, 使它们既可以作为基础科学研 究的绝佳平台, 又具备广阔的应用前景, 本节将主. 特别是在 2010 年, Splendiani 等 [23] 和 Mak 等 [24] 发现单层的 MoS2 是一种直接带隙半导体, 使该体系收到了广泛关注. 图 1(a) 展示了 TMDCs 的 3 种常见的晶体结 构, 分别对应着 2H 相、1T 相和 1T'相 [10]. 单层的 TMDCs 由 3 个原子平面层 (硫族元素-金属-硫族 元素) 构成. 对于常见的 4 种 TMDCs (MoS2, MoSe2, WS2 和 WSe2), 其热力学 稳定相一般为 2H 相. 处于该相时, 这 4 种 TMDCs 都是半导体, 能带结构也具有一定的相似性. 图 1(b) 展示了基于密度泛函理论计算的 MoS2 厚度依赖的能带结构 [23], 这种能带结构特征后续 也被角分辨光电子能谱实验观测到 [25]. 图 1(c) 罗列了 6 种常见的 TMDCs 的能带排布 [26], 其光学带隙分布在红外至 可见光波段 [10,27], 为常用波段的光电应用提供了可 能. 单层 MoS2 能带中的低 能能谷分布于布里渊区两个不等价的高对称点, K 点和 K'点处, 这种特征也存在于其他几种 TMDCs 和石墨烯中. 与石墨烯不同, 单层 2H 相的 TMDCs 的 A 和 B 子晶格分别由过渡金属和硫族两种原子占据, 无需额外的掺杂或调控就天然地破坏了空间反演 对称性, 其价带和导带存在自旋-轨道耦合带来的 自旋劈裂. 这种劈裂在价带上尤为明显, 例如 MoS2 的价带劈裂值约为 150 meV, 而 WSe2 的价 带劈裂则达到了 460 meV[35]. TMDCs 能带结构中的另一个重要特点, 赋予 了它能谷依赖的物理性质. 单层 MoS2 能带中的低 能能谷分布于布里渊区两个不等价的高对称点, K 点和 K'点处, 这种特征也存在于其他几种 TMDCs 和石墨烯中. 然而石墨烯的对称性较高, 在天然的 情况下缺乏谷依赖的物理量, 导致对谷的调控十分 困难. 与石墨烯不同, 单层 2H 相的 TMDCs 的 A 和 B 子晶格分别由过渡金属和硫族两种原子占据, 无需额外的掺杂或调控就天然地破坏了空间反演 对称性, 其价带和导带存在自旋-轨道耦合带来的 自旋劈裂. 这种劈裂在价带上尤为明显, 例如 MoS2 的价带劈裂值约为 150 meV, 而 WSe2 的价 带劈裂则达到了 460 meV[35]. 时间反演对称性保

Valance band
TMDCs 的激子光谱
Band gap Experiment Theory 2D hydrogen
TMDCs 光谱对介电环境的敏感性
Band edge
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