Ultrafast Carrier Thermalization and Cooling Dynamics in Few-Layer MoS2

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作者
Zhaogang Nie,Run Long,Linfeng Sun,Chung‐Che Huang,Jun Zhang,Qihua Xiong,Daniel W. Hewak,Zexiang Shen,Oleg V. Prezhdo,Zhi-Heng Loh
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:8 (10): 10931-10940 被引量:303
标识
DOI:10.1021/nn504760x
摘要

Femtosecond optical pump-probe spectroscopy with 10 fs visible pulses is employed to elucidate the ultrafast carrier dynamics of few-layer MoS2. A nonthermal carrier distribution is observed immediately following the photoexcitation of the A and B excitonic transitions by the ultrashort, broadband laser pulse. Carrier thermalization occurs within 20 fs and proceeds via both carrier-carrier and carrier-phonon scattering, as evidenced by the observed dependence of the thermalization time on the carrier density and the sample temperature. The n(-0.37 ± 0.03) scaling of the thermalization time with carrier density suggests that equilibration of the nonthermal carrier distribution occurs via non-Markovian quantum kinetics. Subsequent cooling of the hot Fermi-Dirac carrier distribution occurs on the ∼ 0.6 ps time scale via carrier-phonon scattering. Temperature- and fluence-dependence studies reveal the involvement of hot phonons in the carrier cooling process. Nonadiabatic ab initio molecular dynamics simulations, which predict carrier-carrier and carrier-phonon scattering time scales of 40 fs and 0.5 ps, respectively, lend support to the assignment of the observed carrier dynamics.
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