Imaging Valley Excitons in a 2D Semiconductor with Scanning Tunneling Microscope-Induced Luminescence

激子 发光 扫描隧道显微镜 半导体 材料科学 单层 光电子学 纳米技术 凝聚态物理 物理
作者
Hairui Geng,Jie Tang,Yanwei Wu,Yuanqin Yu,Jeffrey R. Guest,Rui Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (12): 8961-8970 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c12555
摘要

Valley excitons dominate the optoelectronic response of transition-metal dichalcogenides and are drastically affected by structural and environmental inhomogeneities localized in these materials. Critical to understanding and controlling these nanoscale excitonic changes is the ability to correlate the imaging of excitonic states with crystalline structures on the atomic scale. Here, we apply scanning tunneling microscope-induced luminescence microscopy to image valley excitons in a semiconducting transition-metal dichalcogenide monolayer decoupled by a 10 nanometer-thick hexagonal-boron-nitride flake incorporated in a lateral homojunction on an Au electrode surface. This design enables the observation of chiral excitonic emission arising from neutral and charged valley excitons of the monolayer semiconductor at ambipolar voltages with a quantum efficiency up to ∼10-5 photon/electron. The measured light helicity demonstrates considerable circular polarization dependent on the sample voltage, reaching as much as 40%. The real-space luminescence imaging maps─at subnanometer resolution─of the valley excitons reveal striking spatial variations associated with localized inhomogeneities, including surface impurities and possibly nanoscale dielectric and/or potential disorders in the monolayer. Our study introduces a promising format for 2D materials to explore and tailor their optoelectronic processes at the atomic scale.
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