Large excitonic effects in monolayers of molybdenum and tungsten dichalcogenides

准粒子 单层 激子 材料科学 光致发光 凝聚态物理 布里渊区 GW近似 价(化学) 过渡金属 物理 化学 纳米技术 超导电性 光电子学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Ashwin Ramasubramaniam
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:86 (11) 被引量:1425
标识
DOI:10.1103/physrevb.86.115409
摘要

Quasiparticle band structures and optical properties of MoS${}_{2}$, MoSe${}_{2}$, MoTe${}_{2}$, WS${}_{2}$, and WSe${}_{2}$ monolayers are studied using the GW approximation in conjunction with the Bethe-Salpeter equation (BSE). The inclusion of two-particle excitations in the BSE approach reveals the presence of two strongly bound excitons ($A$ and $B$) below the quasiparticle absorption onset arising from vertical transitions between a spin-orbit-split valence band and the conduction band at the $K$ point of the Brillouin zone. The transition energies for monolayer MoS${}_{2}$, in particular, are shown to be in excellent agreement with available absorption and photoluminescence measurements. Excitation energies for the remaining monolayers are predicted to lie in the range of 1--2 eV. Systematic trends are identified for quasiparticle band gaps, transition energies, and exciton binding energies within as well as across the Mo and W families of dichalcogenides. Overall, the results suggest that quantum confinement of carriers within monolayers can be exploited in conjunction with chemical composition to tune the optoelectronic properties of layered transition-metal dichalcogenides at the nanoscale.
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