Efficient Energy Transfer Enabled by Dark States in van der Waals Heterostructures

范德瓦尔斯力 异质结 材料科学 能量转移 原子物理学 化学物理 纳米技术 物理 光电子学 量子力学 分子
作者
Ziyu Luo,X. X. Yi,Ying Jiang,Nannan Luo,Bingjie Liu,Yangguang Zhong,Qin Tan,Qi Jiang,Xinfeng Liu,Shula Chen,Yuerui Lu,Anlian Pan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (45): 31215-31224 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c09403
摘要

Dark exciton states show great potential in condensed matter physics and optoelectronics because of their long lifetime and rich distribution in band structures. Therefore, they can theoretically serve as efficient energy reservoirs, providing a platform for future applications. However, their optical-transition-forbidden nature severely limits their experimental exploration and hinders their current application. Here, we demonstrate a universal dark state nonlinear energy transfer (ET) mechanism in monolayer WS2/CsPbBr3 van der Waals heterostructures under two-photon excitation, which successfully utilizes the enormous energy reserved in the dark exciton state of CsPbBr3 to significantly improve the photoelectric performance of monolayer WS2. We first propose the scenario of resonant ET between the dark state of CsPbBr3 and WS2, and then reveal that this is a typical Förster resonant ET and belongs to the 2D-2D category. Interestingly, the dark state ET in CsPbBr3 is identified as a long-range donor–bridge–acceptor hopping mode, with a potential distance exceeding 200 nm. Finally, we successfully achieve nearly an order of magnitude enhancement in the near-infrared detection performance of monolayer WS2. Our results enrich the theory of dark exciton states and ET, and they provide a way of using dark exciton states for future practical applications.

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