Ultrafast Bright-to-Dark Exciton Relaxation in Bilayer Borophene Driven by Strong Excitonic Effects

激子 超短脉冲 硼酚 双层 放松(心理学) 凝聚态物理 材料科学 化学物理 纳米技术 物理 化学 光学 心理学 社会心理学 激光器 生物化学 石墨烯
作者
Yunlei Wang,Haifeng Lv,Xiaojun Wu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c02115
摘要

Exciton dynamics in the recently discovered bilayer borophene (BL-α5, consisting of two stacked v1/12 boron sheets) are of great interest due to this material's promising electronic and optical properties for nano-optoelectronic applications. Using a GW plus real-time Bethe-Salpeter equation (GW-rtBSE) approach and ab initio nonadiabatic molecular dynamics (NAMD), we identify a Frenkel-type lowest-energy bright exciton and a spatially delocalized dark exciton in BL-α5, with large binding energies of ∼700 and ∼502 meV, respectively. The electron-hole (e-h) Coulomb interaction (exciton effect) dominates over electron-phonon (e-ph) scattering, playing a pivotal role in an ultrafast bright-to-dark exciton transition with a relaxation time of ∼150 fs. Furthermore, the dark excitons undergo nonradiative recombination on a picosecond time scale (∼14 ps at room temperature). These results provide a theoretical foundation for potential nano-optoelectronic and light-energy harvesting applications of bilayer borophene.
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