Excitonic Rydberg States in a Trilayer to Monolayer H2-Aided CVD-Grown Large-Area MoS2 Film with Excellent UV to Visible Broad Band Photodetection Applications

单层 里德伯公式 激子 材料科学 光致发光 三极管 化学气相沉积 激发态 光电子学 半导体 纳米技术 原子物理学 凝聚态物理 物理 电离 离子 量子力学
作者
Sourav Mondal,Durga Basak
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (2): 2940-2953
标识
DOI:10.1021/acsami.3c15655
摘要

The diverse nature of optoelectronic properties of few-layer or monolayer MoS2 is generally dominated by A and B excitons. Occasionally, strong Coulombic interactions within the 2D monolayer led to the creation of hydrogen-like Rydberg states of excitons in MoS2 similar to other 2D monolayers. In this paper, a simple process is used to convert trilayer MoS2 films to a monolayer by introducing H2 gas during chemical vapor deposition. Remarkably, alongside the usual A, B excitons, and A- trion, the appearance of the Rydberg states is evidenced by photoluminescence spectra even at room temperature; also, there is an increase in their areal percentage with an increase in H2 content. The s-type excited Rydberg states up to the fourth order (n = 5) and third order (n = 4) of A and B excitons, respectively, have been probed from the photoluminescence spectra at 93 K. Unprecedentedly, the first-order derivative of room-temperature photocurrent spectrum reveals the Rydberg states concurrently and elaboratively. Furthermore, the large-area MoS2 films exhibit photoresponse in a broad UV to visible region with excellent photosensitivity (∼102) toward both UV and visible lights. Not only does this provide a profound understanding of the excitonic Rydberg states but also highlights the considerable potential of large-area monolayer MoS2 overcoming the difficulty of tiny flake-related 2D device endeavors.

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