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Simple Screened Hydrogen Model of Excitons in Two-Dimensional Materials

激子 极化率 结合能 里德伯公式 物理 里德堡常数 半导体 折合质量 缩放比例 有效质量(弹簧-质量系统) 凝聚态物理 原子物理学 分子物理学 量子力学 分子 电离 离子 几何学 数学
作者
Thomas Olsen,Simone Latini,Filip Rasmussen,Kristian S. Thygesen
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:116 (5) 被引量:187
标识
DOI:10.1103/physrevlett.116.056401
摘要

We present a generalized hydrogen model for the binding energies (E_{B}) and radii of excitons in two-dimensional (2D) materials that sheds light on the fundamental differences between excitons in two and three dimensions. In contrast to the well-known hydrogen model of three-dimensional (3D) excitons, the description of 2D excitons is complicated by the fact that the screening cannot be assumed to be local. We show that one can consistently define an effective 2D dielectric constant by averaging the screening over the extend of the exciton. For an ideal 2D semiconductor this leads to a simple expression for E_{B} that only depends on the excitonic mass and the 2D polarizability α. The model is shown to produce accurate results for 51 transition metal dichalcogenides. Remarkably, over a wide range of polarizabilities the binding energy becomes independent of the mass and we obtain E_{B}^{2D}≈3/(4πα), which explains the recently observed linear scaling of exciton binding energies with band gap. It is also shown that the model accurately reproduces the nonhydrogenic Rydberg series in WS_{2} and can account for screening from the environment.

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