Spontaneous Exciton Dissociation in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers

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作者
Taketo Handa,Madisen Holbrook,Nicholas Olsen,Luke N. Holtzman,L. Huber,Hai I. Wang,Mischa Bonn,Katayun Barmak,James Hone,Abhay N. Pasupathy,Xiaoyang Zhu
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2306.10814
摘要

Since the seminal work on MoS2 monolayers, photoexcitation in atomically-thin transition metal dichalcogenides (TMDCs) has been assumed to result in excitons with large binding energies (~ 200-600 meV). Because the exciton binding energies are order-of-magnitude larger than thermal energy at room temperature, it is puzzling that photocurrent and photovoltage generation have been observed in TMDC-based devices, even in monolayers with applied electric fields far below the threshold for exciton dissociation. Here, we show that the photoexcitation of TMDC monolayers results in a substantial population of free charges. Performing ultrafast terahertz (THz) spectroscopy on large-area, single crystal WS2, WSe2, and MoSe2 monolayers, we find that ~10% of excitons spontaneously dissociate into charge carriers with lifetimes exceeding 0.2 ns. Scanning tunnelling microscopy reveals that photo-carrier generation is intimately related to mid-gap defect states, likely via trap-mediated Auger scattering. Only in state-of-the-art quality monolayers14, with mid-gap trap densities as low as 10^9 cm^-2, does intrinsic exciton physics start to dominate the THz response. Our findings reveal that excitons or excitonic complexes are only the predominant quasiparticles in photo-excited TMDC monolayers at the limit of sufficiently low defect densities.
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