Energias de ligação dos éxcitons neutros e carregados e emissão de éxcitons escuros em monocamadas de dicalcogenados de metais de transição

Abstract

Monocamadas de dicalcogenetos de metais de transição (DMT) surgiram recentemente como uma nova classe de semicondutores de gap direto no limite bidimensional. Sua geometria com espessura atômica aumenta consideravelmente a interação coulombiana, assim, a resposta optica das monocamadas de DMT é dominada pelos Wannier-éxcitons. Éxcitons em monocamadas de DMT apresentam grande energias de ligação, um pequeno raio de Bohr, e um grande acoplamento com a luz vísivel. Em contrapartida, o forte acoplamento Spin-Órbita (SOC) do átomo do metal de transição no DMT introduz um splitting de spin de centenas de meV na banda de valência em torno dos pontos K. Enquanto o splitting de spin na banda de condução em torno dos pontos K são de cerca de 30 meV para MoSe2, WSe2 e WS2. Então os elétrons e buracos que constituem um exciton podem ter spins antiparalelos (referidos como exciton singleto) ou spins paralelos (referidos daqui em diante como exciton tripleto). O splitting de spin na banda de condução então contribui para o splitting de energia para os éxciiton singleto e tripleto. Com o spin para baixo (cima) do buraco definido como a falta do spin para cima (baixo) da banda de valência, o éxciton singleto é criado/aniquilado através da conservação de spin na transição óptica, enquanto o éxciton tripleto é criado/aniquilado através da troca de spin. Consequentemente, os éxcitons singletos na monocamada são chamados de éxcitons claros, enquanto o éxciton tripleto são os éxcitons escuros. Além do mais,verificamos que campos magnéticos aumentam a intensidade de fotoluminescência (PL) do éxciton. Em contrapartida, campos magnéticos paralelos a monocamada misturam os estados claros e escuros. Essa mistura dos éxcitons claros e escuros em um campo magnético paralelo permite a recombinação óptica de estados fundamentais inicialmente opticamente inativos. Verificamos que a intensidade da PL de éxcitons escuros "clareados"exibem uma dependência parabólica com o campo magnético. Quando um campo magnético inclinado é utilizado, tanto o splitting de vale de Zeeman quanto o clareamento de éxcitons escuro é observado. Também foi verificado que eles podem der calibrados tanto pela intensidade quanto pela direção do campo magnético. Para fins de aplicação prática, também estendemos nosso estudo sobre o clareamento de éxcitons escuros para campos magnéticos efetivos produzidos por substratos que são isolantes magnéticos ou por efeito Rashba.