Keldysh field theory of spin- and valley-distinguished polariton nonlinearities in transition-metal dichalcogenide monolayers
Abrikosov Center for Theoretical Physics, Moscow Center for Advanced Studies（阿布里科索夫理论物理中心，莫斯科高等研究中心）；National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)（国立研究核大学MEPhI（莫斯科工程物理学院））；Russian Quantum Center, Skolkovo IC（俄罗斯量子中心，斯科尔科沃创新中心）
本文利用Keldysh路径积分场论方法，推导了考虑所有亮暗激子种类的TMD单层极化激元系统的16种非线性相互作用项，发现谷内暗激子对蓝移的贡献远高于亮激子。
2026-09-22 cond-mat.mes-hall
Frequency-dependent substrate screening of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenide semiconductors
过渡金属二硫属化物（TMDC）的原子薄层由于与弱介电屏蔽有关的二维载流子限制而在载流子之间表现出异常强的库仑相互作用。层间耦合的范德华性质使得容易将TMDC层集成到具有不同电介质或金属衬底的异质结构中。这允许定制这些材料的电子和光学性质，因为原子薄层内的库仑相互作用非常容易受到环境的屏蔽。在这里，我们从理论上研究动态屏蔽效应在TMDC由于体衬底掺杂载流子在一个大的密度范围内，从而提供三维等离子体激元作为可调的自由度。我们报告了一个广泛的补偿重整化效应导致光谱更稳定的激子比预测的静态基板屏蔽，即使等离子体激元和激子共振。我们还发现了一个非平凡的依赖于衬底掺杂密度的单粒子带隙由于动态屏蔽。我们的调查提供了微观的洞察机制，允许操纵TMDC激子通过任意的等离子体环境在纳米尺度上。
2018-04-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomically inspired $k \cdot p$ approach and valley Zeeman effect in transition metal dichalcogenide monolayers
我们发展了一个六带$k \cdot p$模型，描述了单层过渡金属二硫属化物（TMDC）在$K$ -谷中的电子态。$k \cdot p$模型的参数集通过在$K^\pm$点附近分解紧结合（TB）模型来唯一地确定。首先，我们使用文献中存在的TB模型来推导不同材料的系统参数，包括MoS $_2$、WS $_2$、MoSe $_2$和WSe $_2$。然后，利用导出的六带$k \cdot p$哈密顿量，我们计算了不同TMDC中的有效质量、朗道能级和有效激子$g$因子$g_{X^0}$。我们发现，TB参数化存在于文献中的结果在小的绝对值$g_{X^0}$，这是远离实验测量的$g_{X^0} \approx -4$。为了进一步研究这个问题，我们推导出另外两套$k \cdot p$参数，通过开发我们自己的TB参数化的基础上同时拟合从头计算，密度泛函（DFT）和$GW$方法，能量色散和值的$g_{X^0}$。我们发现，TB参数的变化，这只是轻微影响的色散较高的导带和深价带，可能会导致一个显着的增加$|g_{X^0}|$，产生接近实验值的$g_{X^0}$。$g_{X^0}$如此高的参数灵敏度为DFT和TB模型的进一步改进开辟了道路。
2016-10-09 cond-mat.mes-hall
Direct exciton emission from atomically thin transition metal dichalcogenide heterostructures near the lifetime limit
我们证明了原子薄的过渡金属二硫属化物（TMDC）MoSe $_{2}$，WSe $_{2}$和MoS $_{2}$中的自由激子的非均匀线宽的减少通过封装在几个纳米厚的hBN。封装显示导致10 K激子线宽显著减小，对于n-MoSe $_{2}$减小到$\sim3.5 \text{ meV}$，对于p-WSe $_{2}$减小到$\sim5.0 \text{ meV}$，对于n-MoS $_{2}$减小到$\sim4.8 \text{ meV}$。有证据表明，hBN环境有效地降低费米能级，因为相对光谱权重向中性激子发射在n-掺杂TMDC和向带电激子发射在p-掺杂TMDC。此外，我们发现，完全封装的MoS $_{2}$显示出可分辨的激子和trion发射，即使在高功率密度激发后，与非封装材料相比。我们的研究结果表明，封装的机械剥离的几个单层TMDC内纳米厚的hBN显着提高光学质量，产生超窄的线宽，接近均匀的限制。
2017-04-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Intervalley Polaron in Atomically Thin Transition Metal Dichalcogenides
本文从理论上研究了过渡金属双硫族化物单分子膜中电子与短波长声子相互作用引起的谷间耦合。我们证明，这种谷间极化子耦合的结果在（i）的导带自旋分裂的重整化和（ii）的电子有效质量的增加。我们还计算了在外加磁场作用下的回旋能量重整化和朗道能级分裂。发现了谷间磁-声子共振现象。对于价带空穴，也预期有类似但弱得多的效应。这些结果可能有助于解决从头计算的电子有效质量的值之间的差异，从磁输运测量推导。
2019-06-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Opto-valleytronic imaging of atomically thin semiconductors
过渡金属二硫族化物半导体代表了超越传统光电子学的新兴技术的分层异质结构的基本组件。在它们的单层形式中，它们以量子化的圆周运动和相关的谷极化和谷相干性作为光谷电子功能的关键要素来容纳电子。在这里，我们介绍了二维偏振直接成像的手段在单层过渡金属dichalcogenides的谷赝自旋自由度。以MoS $_2$为谷选择性光学跃迁的代表材料，建立了扩展晶体偏振图的定量图像分析方法，确定了谷偏振和谷相干性作为晶体无序的敏感探针。此外，我们发现在垂直磁场中谷极化激子的位置依赖的热和非热制度。最后，我们展示了基于原子级薄半导体和异质结构的光谷电子器件的快速检测的宽场偏振法的潜力。
2019-02-19 cond-mat.mes-hall
Optical signature of symmetry variations and spin-valley coupling in atomically thin tungsten dichalcogenides
由于石墨烯在电子应用中的成功和局限性，第VI族过渡金属二硫属化物的原子薄层作为一类在可见频率范围内具有所需带隙的石墨烯类半导体引起了广泛的兴趣。在第一布里渊区的两个谷中存在一个符号相反的价带自旋分裂。这种自旋-谷耦合，特别是在钨二硫属化物中显著，可以有益于潜在的自旋电子学和谷电子学，具有自旋-谷相互作用以及抑制自旋和谷弛豫的重要后果。在这里，我们报告的第一个光学研究WS 2和WSe 2单层和多层膜。二次谐波产生的效率显示出戏剧性的偶奇振荡的层数，一致的存在（不存在）的反转对称的偶数层（奇数层）。光致发光（PL）的测量表明，从一个间接带隙半导体在多层膜的直接带隙在单层的交叉。PL光谱和第一性原理计算一致地揭示了0.4 eV的自旋-谷耦合，其抑制了层间跳跃，并表现为在K点附近的价带边缘处的厚度无关的分裂图案。这种巨大的自旋谷耦合，连同谷依赖的物理性质，可能会导致丰富的可能性操纵自旋和谷自由度在这些原子薄的二维材料。
2012-08-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides
原子薄的材料，如石墨烯和单层过渡金属二硫属化物（TMD）表现出显着的物理性质，这是由于它们的降维和晶体对称性。半导体过渡金属二硫属化物的家庭是一个特别有前途的平台，二维（2D）系统的基础研究，在光电子学和谷电子学由于其直接带隙在单层极限和高效的光-物质耦合的潜在应用。具有破缺的反转对称性的晶格结合强自旋-轨道相互作用导致自旋和谷自由度的独特组合。此外，2D字符的单分子膜和弱介电屏蔽的环境产生显着增强的库仑相互作用。由此形成的束缚电子-空穴对或激子主导了材料的光学和自旋性质。在这里，我们回顾了最近的进展，我们了解的激子性能在单层TMD和布局未来的挑战。我们着重讨论了直接库仑作用和交换库仑作用的结果，激子-光相互作用以及其他载流子和激子对TMD中电子-空穴对的影响。最后，谷极化的影响进行了描述和调谐的能量和极化观察到的电场和磁场进行了总结。
2017-11-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Efficient $GW$ band structure calculations using Gaussian basis functions and application to atomically thin transition-metal dichalcogenides
本研究提出了一种基于高斯基函数的高效$GW$能带结构计算方法，用于原子薄过渡金属二硫化物，实现了快速且准确的能隙计算。
2025-11-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Intrinsic Exciton Linewidth in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides
单层过渡金属二硫属化物的特征在于库仑束缚的电子-空穴对（激子），其具有异常大的结合能以及耦合的自旋和谷自由度。这些独特的属性已被用于原子薄光电子学和谷电子学的激子的电学和光学控制。这些技术的发展依赖于对激子基本性质的理解和量化。一个关键参数是本征激子均匀线宽，它反映了系统（激子）和浴（真空和其他准粒子）相互作用产生的不可逆量子耗散。使用光学相干二维光谱，我们提供了第一个实验测定的激子均匀线宽在单层过渡金属dichalcogenides，特别是钨二硒化物（WSe 2）。激子-激子相互作用和激子-声子相互作用在量子退相干中的作用是通过对激子密度和温度依赖的线宽测量来揭示的。剩余的均匀线宽外推到零密度和温度是~1.5毫电子伏，放置在激子辐射寿命的下限约为0.2 ps。在这项工作中提出的激子量子退相干机制，预计将普遍存在于原子薄的半导体。
2014-10-12 cond-mat.mes-hall
Atomically-Thin Transition Metal Dichalcogenide Nanolasers: Challenges and Opportunities
本文概述了单层过渡金属硫族化物（TMDs）纳米激光器领域，评估了近期声称实现激射的研究，并探讨了实现实用化TMDs纳米激光器面临的挑战与未来方向。
2025-04-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Direct Optical-Structure Correlation in Atomically Thin Dichalcogenides and Heterostructures
原子薄的过渡金属二硫属化物（TMD）具有独特的光电性能，包括增强的发光和高的开关电流比，可以通过制备更复杂的TMD异质结构来进一步调制。然而，传统的光学方法的分辨率限制不允许在这些材料中，特别是在TMD异质结构中的掩埋界面的直接光学结构相关测量。在这里，我们使用，第一次，在扫描透射电子显微镜（CL-STEM）中的电子束诱导阴极射线发光测量单层TMD（WS 2，二硫化钼和WSSe合金）之间的hBN层封装的光学性质。我们观察到暗区局部（~ 100 nm）的不完美的界面和单层折叠，这表明，在这个应用相关的异质结构层之间的紧密接触所需的适当的层间耦合。我们还实现了一个合适的成像方法，最大限度地减少电子束引起的变化，并提供测量的内在属性。为了克服TMD单层中小的电子相互作用体积的限制（因此光子产率低），我们发现用hBN封装TMD单层并随后退火是重要的。CL-STEM提供了一种强大的方法来直接测量横向或垂直异质结构和合金中的结构-光学对应关系。
2019-10-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Coherent Electronic Coupling in Atomically Thin MoSe2
我们报告的第一个直接的光谱证据，在原子薄的过渡金属dichalcogenides，特别是单层MoSe 2的激子和trions之间的相干电子耦合。在双色泵浦-探测光谱中，耦合的信号以孤立的交叉峰出现，峰的线形表明耦合起源于多体相互作用。实验和密度矩阵计算之间的良好一致性表明，由于它们的耦合，形成了相关的激子-trion态。
2014-01-09 cond-mat.mes-hall
Energy dispersive X-ray spectroscopy of atomically thin semiconductors
我们报告的实施能量色散X射线光谱的层状半导体的形式原子薄的过渡金属二硫属化物。该技术是基于扫描电子显微镜配备了硅漂移检测器的能量色散X射线分析。通过优化数值模拟和实验中的操作参数，我们实现了几层晶体的层分辨灵敏度下降到单层极限，并展示了过渡金属二硫属化物的垂直和横向异质双层中的元素组成分布。该技术可以直接应用于其他层状二维材料和范德华异质结构，从而扩展了实验工具箱，用于定量表征原子薄材料和器件的层数，原子组成或合金梯度。
2022-11-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nonlinear Photoluminescence in Atomically Thin Layered WSe2 Arising from Diffusion-Assisted Exciton-Exciton Annihilation
利用非线性光致发光（PL）光谱和蒙特卡罗模拟研究了WSe 2单分子层中的多激子动力学。我们观察到激子光致发光随激发功率密度的增加而出现强烈的非线性饱和现象，激子的长距离扩散可达几微米。我们证明了扩散辅助激子-激子湮灭模型解释了所观察到的非线性PL行为。长距离激子扩散和随后的有效激子-激子湮灭过程决定了原子级薄层过渡金属二硫属化物中不寻常的多激子动力学。
2014-05-22 cond-mat.mes-hall
Characterizing Transition-Metal Dichalcogenide Thin-Films using Hyperspectral Imaging and Machine Learning
原子级薄的过渡金属二硫族化合物（TMD）多晶材料在基础科学研究和应用领域都具有重要意义。TMD薄膜对有效的纳米级晶体表征提出了独特的困难挑战。在这里，我们提出了一种方法来快速表征的纳米晶晶粒结构和纹理的单层WS2薄膜，使用扫描纳米束电子衍射加上多元统计分析的结果数据。我们的分析管道具有高度的通用性，是传统上用于分析空间分辨电子衍射测量的耗时，复杂和依赖系统的方法的有用替代方案。
2020-01-30 cond-mat.mes-hall
Anisotropic complex refractive indices of atomically thin materials: determination of the optical constants of few-layer black phosphorus
本文简要回顾了单层过渡金属二硫属化合物和少层黑磷的光学常数的研究，特别强调了复介电函数和折射率。具体地说，我们给出了磷烯和少层黑磷的复折射率的估计。我们从文献报道的差分反射率数据中提取了这种材料的复折射率，采用约束Kramers-Kronig分析。最后，我们用传输矩阵法研究了磷烯嵌入多层膜系统的线性光学响应。
2020-11-03 cond-mat.mes-hall
Charge versus energy transfer in atomically-thin graphene-transition metal dichalcogenide van der Waals heterostructures
范德华异质结是由二维材料堆叠而成的，具有独特的光-物质相互作用，有望成为新型光电子器件。这种器件的性能由近场耦合控制，例如，层间电荷和/或能量转移。需要新的概念和实验方法来正确地描述二维异质界面。在这里，我们报告层间电荷和能量转移原子薄金属（石墨烯）/半导体（过渡金属二硫属化物（TMD，这里MoSe $_2$））异质结构使用光致发光和拉曼散射光谱的组合。石墨烯/MoSe $_2$中的光致发光强度被猝灭超过两个数量级，并且随着光子通量线性上升，表明室温MoSe $_2$激子寿命急剧缩短（$\sim 1~\tr{ps}$）。通过对石墨烯和MoSe $_2$拉曼模式的分析，提供了关键的补充见解，其揭示了从MoSe $_2$到石墨烯的净光诱导电子转移和MoSe $_2$中的空穴积累。值得注意的是，石墨烯的稳态费米能在狄拉克点以上的$290\pm 15~\tr{meV}$处饱和。在环境空气和真空中观察到这种行为，并讨论了频带偏移和环境影响。在这种饱和状态下，电子和空穴的平衡光诱导流动可以转移到石墨烯，这是一种有效地导致能量转移的机制。使用宽范围的光子通量和不同的环境条件下，我们发现，净光致电荷转移的存在下，石墨烯/MoSe $_2$的近统一的光致发光猝灭效率没有可测量的影响。这种相关性的缺乏强烈表明，能量转移到石墨烯是原子级薄的TMD和石墨烯之间的主要层间耦合机制。
2017-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Interlayer Exciton Laser with Extended Spatial Coherence in an Atomically-Thin Heterostructure
二维半导体由于其强的激子-光子相互作用和工程和集成的灵活性而成为纳米光子学的一类新材料。利用这些特性，我们设计了一种基于偶极层间激子的高效激光介质，在旋转排列的原子薄异质结构中。激光测量从过渡金属二硫族化物异质双层集成在氮化硅光栅谐振器。在整个激光阈值的发射的空间相干性的急剧增加被观察到。这项工作建立了层间激子在二维异质结构作为硅兼容的相干介质。这些层间激子具有电可调的光-物质相互作用强度和长程偶极相互作用，有望在低功率、超快激光和调制器以及丰富的多体量子现象方面得到应用。
2019-01-03 cond-mat.mes-hall
Charge Scattering and Mobility in Atomically Thin Semiconductors
原子级薄半导体如MoS2的电子输运性质最近引起了重大的审查和争议。在这项工作中，负责限制单层半导体的迁移率的散射机制进行评估。跟踪的2D电子气密度的数量级，在各种温度下的个别散射率的作用。从一个比较研究的个别散射机制，我们得出结论，所有目前报道的原子薄过渡金属二硫族化物半导体的迁移率值是有限的电离杂质散射。当带电杂质密度降低时，远程光学声子散射将决定室温下这些非晶材料中可获得的最高迁移率的上限。本征迁移率将仅在干净的悬浮层中可获得，对于石墨烯也是如此。根据这项研究，我们确定了周围环境的最佳选择，这将有助于实现最高的流动性。
2014-03-18 cond-mat.mes-hall
Impact of optically pumped non-equilibrium steady states on luminescence emission of atomically-thin semiconductor excitons
本文通过微观计算研究连续波泵浦下过渡金属二硫化物激子的非平衡稳态，发现声子辅助跃迁主导导致光致发光激发谱和偏振度出现尖锐特征。
2022-01-10 cond-mat.mes-hall
Room-Temperature Quantum-Confined Stark Effect in Atomically Thin Semiconductor
电场控制下过渡金属二硫属化物单分子膜中的二维激子动力学是当前凝聚态物理的研究热点。我们已经实验研究了光谱和时间特性的A-激子在二硒化钼（MoSe 2）单层下的垂直，直流电场在室温下的控制变化。通过使用稳态和时间分辨的光致发光光谱，我们已经观察到直流场诱导的光谱位移和线宽加宽，这是一致的激子的非辐射寿命缩短，由于场诱导的解离。我们讨论的影响，在纳米尺度计量和探索，光电子技术的基础上分层，二维半导体的未来发展的结果。
2018-02-08 cond-mat.mes-hall
Exciton optics, dynamics and transport in atomically thin semiconductors
原子薄的半导体，如过渡金属二硫属化物（TMD）单层表现出非常强的库仑相互作用，从而产生丰富的激子景观。这使得这些材料对于高效和可调谐的光电子器件具有高度吸引力。在这篇文章中，我们回顾了激子光学，动力学和输运的理解，至关重要的管理TMD为基础的设备的操作的最新进展。我们强调的影响hBN封装，这揭示了过多的许多粒子状态的光谱，我们概述了激子极化激元领域的最新突破。此外，我们强调直接观察激子的形成和热化在TMD单层和异质结在最近的时间分辨ARPES研究。我们还讨论了激子密度、应变和介电环境对激子扩散和散射的影响。最后，提出了原子级薄半导体材料今后的研究方向。
2022-09-20 cond-mat.mes-hall
Two-dimensional coherent spectroscopy of trion-polaritons and exciton-polaritons in atomically thin transition metal dichalcogenides
本文通过微观多体计算，研究微腔中过渡金属二硫化物单层内三重子-极化激元和激子-极化激元的二维相干光谱，预测三种交叉峰，揭示分支间相干性，为探索强非线性提供基础。
2022-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas
Excitonic theory of doping-dependent optical response in atomically thin semiconductors
原子薄的半导体中的光激发激子与剩余掺杂密度的相互作用导致多体效应，该多体效应通过外部栅极电压连续可调。在这里，我们开发了一个完全微观的理论来描述掺杂依赖于原子薄的过渡金属二硫属化物的激子性质的操纵。特别是，我们建立了一个对角化方法的薛定谔方程的特点与费米海掺杂剂的虚激子的相互作用。求解这个多体薛定谔方程提供了对三子以及散射态的连续性的访问。耦合激子，trions和散射连续体的动力学随后由海森堡运动方程描述，包括平均场贡献和相关效应，由于激子与trions和散射连续态的相互作用。我们的计算接近带边的光激发揭示了掺杂的激子共振的影响，结合同时识别不仅地面，但也激发，状态trion共振。
2022-01-06 cond-mat.mes-hall
Tight-binding Piezoelectric Theory and Electromechanical Coupling Correlations for Transition Metal Dichalcogenide Monolayers
半导体过渡金属二硫属化物单分子膜（TMDMs）中反型对称性的缺乏使得相当大的分子水平的本征压电性成为可能，这为原子薄的压电电子学和光电子学开辟了前景。基于紧束缚理论和Berry相极化理论，我们建立了一个原子尺度的紧束缚理论，用于解释TMDM中的压电物理。利用TB压电理论，我们预测了它们的电子Grüneisen参数（EGP），该参数用于测量电子-声子耦合。借助所建立的解析压电模型，进一步揭示了电子对压电系数的贡献与应变诱导赝磁规范场（PMF）之间的相关性.这些预测的EGP和PMF的TMDMs的实验测试，因此TB压电模型是一个替代的理论框架计算电子-声子相互作用和PMF。
2018-04-09 cond-mat.mes-hall
Many-Body Rashba Spin-Orbit Interaction and Exciton Spin Relaxation in Atomically Thin Semiconductor Structures
Justus-Liebig-Universität Gießen（吉森大学）；Technische Universität Berlin（柏林工业大学）
研究通过建立多粒子 Rashba 霍金量，揭示了二维半导体中局部电场对激子自旋弛豫的影响，发现 MoSe₂ 在特定条件下表现出快速自旋弛豫。
2026-02-17 cond-mat.mes-hall
Microscopic many-body theory of two-dimensional coherent spectroscopy of excitons and trions in atomically thin transition metal dichalcogenides
本文提出微观多体理论，用极化子格林函数描述单层MoSe2中激子与三离子的二维相干光谱，在不引入唯象参数的情况下成功再现实验中的量子拍频，并分析了理论与实验的定量差异来源。
2022-08-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.quant-gas
Electrical control of interlayer exciton dynamics in atomically thin heterostructures
半导体中的激子，即受激电子和空穴的束缚对，可以形成新类别的量子光电子器件的基础。由原子级薄的半导体过渡金属二硫属化物（TMD）构建的范德华异质结构使得能够在不同层中由电子和空穴形成激子，从而产生具有大结合能和长寿命的层间激子。利用单层TMD的异质结构，我们实现了长寿命中性和带电层间激子的光和电产生。我们证明了中性层间激子在整个样品中的传输，可以通过激发功率和栅电极来控制。利用欧姆接触器件实现了带电层间激子的漂移运动。激子的电产生和控制为实现玻色子复合粒子的完全电调谐量子操纵提供了一条新的途径。
2018-12-20 cond-mat.mes-hall
Electroluminescence and photocurrent generation from atomically sharp WSe2/MoS2 heterojunction p-n diodes
p-n二极管代表了用于各种光电功能的最基本的器件构建块，但是由于不能将它们选择性地掺杂到p型或n型半导体中，因此难以在原子级薄的过渡金属二硫属化物（TMD）中实现。在这里，我们报告的第一个演示的原子薄和原子尖锐的异质结p-n二极管垂直堆叠的p型单层二硒化钨（WSe 2）和n型少层二硫化钼（MoS 2）。电气测量表明，具有良好定义的电流整流行为和1.2的理想因子的二极管特性。光电流映射显示快速的光响应在整个重叠区域的最高外量子效率高达12%。电致发光研究表明，显着的带边激子发射和显着增强的热电子发光。系统的研究表明，不同的层数依赖的发射特性，并揭示了重要的洞察力的起源热电子发光和电子轨道相互作用的性质在TMD。我们相信，这些原子薄的异质结p-n二极管代表了一个有趣的系统，用于探测的基本电光性质的TMD，并可以开辟一条新的途径，以新颖的光电子器件，如原子薄的光电探测器，光电转换器，以及自旋/谷偏振光发光二极管和片上激光器。
2014-09-15 cond-mat.mes-hall
Electronic structures and theoretical modelling of two-dimensional group-VIB transition metal dichalcogenides
原子薄的第六族过渡金属二硫属化物（TMD）最近出现作为一类新的二维（2D）半导体，具有非凡的性质，包括在可见频率范围内的直接带隙、显著的自旋轨道耦合、超强库仑相互作用以及与谷自由度相关的丰富物理。这些2D TMD在器件应用方面表现出巨大的潜力，并引起了人们对新物理探索的极大兴趣。2D TMD具有复杂的电子结构，这是其物理性质的基础。在这里，我们回顾了这些新的2D材料的体电子结构以及在不同层次上发展的理论模型，沿着这些理论模型，我们整理了对观察到的或预测的各种性质的起源的理解。
2015-12-05 cond-mat.mes-hall
Dark and bright exciton formation, thermalization, and photoluminescence in monolayer transition metal dichalcogenides
过渡金属二硫属化物（TMD）中的库仑相互作用非常强，导致了包括紧密束缚激子形成在内的非常丰富的多粒子物理。除了光学上可接近的亮激子态，这些材料还表现出各种暗激子。由于它们甚至可以位于亮态之下，因此它们对激子动力学、寿命和光致发光具有强烈的影响。虽然最近，暗激子态的存在已被实验证明，但这些态的起源，它们的形成和动力学尚未被揭示。在这里，我们提出了一个微观研究揭示时间和能量分辨的形成和热化的明亮和黑暗的谷内和谷间激子，以及它们对不同的TMD材料的光致发光的影响。我们表明，谷间暗激子，迄今为止广泛忽视在目前的文献中，发挥了至关重要的作用，在钨基TMD引起增强的光致发光和激子寿命在升高的温度下减少。
2017-03-09 cond-mat.mes-hall
A gate defined quantum dot on the two-dimensional transition metal dichalcogenide semiconductor WSe2
二维层状材料，如过渡金属二硫属化物（TMDC），由于其独特的电子性质，是未来电子学中很有前途的材料。在带隙存在的情况下，可以在TMDC上实现原子薄的栅极限定的量子点（QD）。在这里，标准的半导体制造技术被用来证明WSe 2上的量子限制结构，其具有由电场限定的隧道势垒，从而消除了由蚀刻步骤引起的边缘状态，其通常出现在无间隙石墨烯QD中。观察到超过40个连续的库仑金刚石，其充电能量约为2 meV，显示了QD的形成，这与模拟一致。QD的大小可以通过改变施加到顶栅的电压来调整超过2倍。这些结果为TMDCs上量子纳米器件的进一步研究提供了参考。
2015-10-13 cond-mat.mes-hall
Atomically thin quantum light emitting diodes
过渡金属二硫属化合物（TMD）是一种光学活性层状材料，具有快速光电子学和片上光子学的潜力。我们证明了电驱动的单光子发射从局部网站在钨二硒化物（WSe 2）和二硫化钨（WS 2）。为了实现这一点，我们制造了包括单层石墨烯、薄六方氮化硼和TMD单层和双层的发光二极管结构。光子相关测量被用来确认单光子性质的光谱尖锐的发射。这些结果将TMD系列作为混合、宽带、原子级精确量子光子器件的平台。
2016-08-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dark-exciton based strain sensing in transition metal dichalcogenides
现代技术中越来越小的高性能设备的趋势需要具有新功能的新型材料。最近出现的原子级薄的二维（2D）材料开辟了超薄和灵活的纳米电子器件的设计的可能性。作为真正的2D材料，它们具有最佳的表面积与体积比，从而对外部变化具有极高的敏感性。这使得这些材料成为传感应用的最佳候选材料。在这里，我们利用单层过渡金属dichalcogenides激子景观的显着不同，提出了一种新的暗激子为基础的超灵敏应变传感器的概念。我们证明了暗-亮-激子分离可以通过应变来控制，这对暗激子态的激活有着至关重要的影响。当施加仅0.05 $\%$应变时，这导致光致发光光谱中暗激子的显著强度变化。预测的高达8000的极高的光学应变计因子是有希望的光学应变传感器的设计。
2018-06-19 cond-mat.mes-hall
Ultrafast Charge Transfer in Atomically Thin MoS2/WS2 Heterostructures
范德华异质结构最近已经成为一类新的材料，其中堆叠的原子薄二维（2D）层（包括石墨烯，六方氮化硼和过渡金属二硫属化物（MX 2））之间的量子耦合产生了迷人的新现象。MX2异质结构对于新型光电和光伏应用特别令人兴奋，因为2D MX2单层可以在近红外到可见光谱范围内具有光学带隙，并表现出极强的光-物质相互作用。理论预测，许多堆叠的MX2异质结构形成II型半导体异质结，其促进用于光检测和捕获的有效电子-空穴分离。在这里，我们报告的第一个实验观察超快的电荷转移在光激发的MoS 2/WS 2异质结构使用光致发光映射和飞秒（fs）泵浦探测光谱。我们发现，从二硫化钼层的WS 2层的空穴传输发生在50 fs光激发后，范德华耦合的2D层的显着的速率。范德华异质结构中的这种超快电荷转移可以实现用于光电子学和光捕获的新型2D器件。
2014-07-23 cond-mat.mes-hall
Hybrid k$\cdot$p tight-binding model for subbands and infrared intersubband optics in few-layer films of transition-metal dichalcogenides: MoS$_2$, MoSe$_2$, WS$_2$ and WSe${}_2$
提出了一个密度泛函参数化的杂化k $\cdot$ p紧束缚模型，用于研究过渡金属二硫属化物原子薄膜2 H-$MX_2$（$M$ =Mo，W; $X$ =S，Se）的电子性质.我们使用这个模型来分析$p$和$n$掺杂的$2{\rm H}-MX_2$薄膜的子带间跃迁，并预测子带间激发的线形，由子带相关的二维电子和空穴质量，以及激发寿命，由于光学声子的发射和吸收。我们发现，具有$N=2$到$7$层厚度的2 H-${MX_2}$族原子薄膜的子带间光谱密集地覆盖了$2$和$30\ {\rm μm}$之间波长的红外光谱范围。详细的分析表明，对于$n$掺杂薄膜，最低能量子带的电子色散和自旋谷简并度在奇数和偶数层之间振荡，这也可能为这些系统中的量子霍尔效应研究提供有趣的机会。
2018-08-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Non-equilibrium diffusion of dark excitons in atomically thin semiconductors
原子薄的半导体提供了一个很好的平台来研究紧密束缚激子的有趣的多粒子物理。特别地，钨基过渡金属二硫属化物的性质由亮激子态和暗激子态的复杂流形决定。虽然已知暗激子主导弛豫动力学和低温光致发光，但它们对激子的空间传播的影响仍然难以捉摸。在我们的联合理论-实验研究中，我们解决了这个有趣的制度，暗态运输解决的时空激子动力学hBN封装的WSe $_2$单分子膜共振激发后。我们发现明确的证据表明，一个非常规的，时间依赖性的扩散在第一个几十皮秒，表现出强烈的偏离稳态传播。暗激子状态最初由来自亮态的声子发射填充，导致热激子的产生，热激子的快速膨胀导致扩散系数瞬时增加超过一个数量级。这些发现是相关的原子薄材料的时空激子动力学的基本理解，以及它们的技术应用，使快速扩散。
2021-05-21 cond-mat.mes-hall
Impact of strain on the optical fingerprint of monolayer transition metal dichalcogenides
应变提供了一个简单的工具来调整原子级薄纳米材料的电子特性，这些纳米材料对晶格变形高度敏感。应变对过渡金属二硫属化合物（TMD）电子能带结构的影响已被广泛研究，但对其光学性质影响的研究却很少。结合微观理论的基础上Wannier和Bloch方程与最近邻紧束缚近似，我们提出了一个分析的观点，如何单轴和双轴应变影响的TMD的光学指纹，包括其激子结合能，振子强度，光学选择规则，和激子共振的辐射展宽。我们表明，应变的影响可以减少到晶格结构（几何效应）和轨道函数（重叠效应）的变化。特别是，我们证明了谷选择性的光学选择规则软化的情况下，由于引入的晶格结构的不对称性的单轴应变。此外，我们揭示了由于应变引起的光学矩阵元和激子波函数的变化的辐射退相的相当大的增加。
2017-06-01 cond-mat.mes-hall
Tunable Photodetectors Based on 2D Hybrid Structures from Transition Metal Dichalcogenides and Photochromic Molecules
该综述梳理了过渡金属二硫化物与光致变色分子构成的二维杂化结构在光电探测器领域的研究进展，介绍了材料特性、集成策略、机制与器件，指出了其在高性能自适应光电子中的应用方向。
2025-06-12 cond-mat.mes-hall
Electrically controlled emission from singlet and triplet exciton species in atomically thin light emitting diodes
激子是复合玻色子，可以具有自旋单重态和三重态。在通常的半导体中，如果没有额外的自旋翻转机制，三重态激子是效率极低的光发射体。过渡金属二硫属化物（TMD）具有大的自旋-轨道耦合，由于其将圆偏振光耦合到具有选择性谷和自旋$^{1-4}$的激子，因此对于谷电子应用特别感兴趣。在原子级薄的MoSe $_2$ /WSe $_2$ TMD范德华（vdW）异质结构中，vdW层的独特原子配准向层间激子$^{5,6}$提供准角动量，使得能够从否则暗的自旋三重态激子发射。在这里，我们报告电可调自旋单重态和三重态激子发射原子排列的TMD异质结构。我们确认自旋配置的发光激子采用磁场测量有效激子g因子。层间隧穿电流通过TMD vdW异质结构，使单重态和三重态激子发射的电产生在这个原子薄的PN结。我们证明了电荷注入产生的单重态和三重态激子之间的电调谐性。因此，原子薄的TMD异质结构发光二极管使得光电子器件能够通过控制原子堆叠登记来独立地配置自旋和谷量子态。
2020-12-07 cond-mat.mes-hall
Engineering of Neutral Excitons and Exciton Complexes in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers through External Dielectric Screening
为了充分利用过渡金属二硫属化物单层（TMD-ML）的潜力，在这些材料内良好控制地产生原子级尖锐的横向异质结是非常期望的。一个有前途的方法来创建这样的异质结是本地调制的电子结构的本征TMD-ML通过介电屏蔽诱导其周围的材料。为了实现这种非侵入性的方法，需要深入了解这种介电效应。我们报告的调制的激子跃迁在TMD-多层膜的介电环境的影响，包括低k和高k介电材料。我们提出的绝对调谐范围高达37毫电子伏的光学带隙的WSe 2和MoSe 2 MLs和相对调谐范围的顺序为30%的中性激子在WSe 2 MLs的结合能。研究结果表明，WSe 2 ML的电子带隙减少120 meV的可能性，铺平了道路，对介电定义的横向异质结。
2017-05-30 cond-mat.mes-hall
Manipulating single photon emitter radiative lifetime in transition-metal dichalcogenides through Forster resonance energy transfer to graphene
结构缺陷可以对单层（ML）厚材料的光学响应产生至关重要的影响，因为它们使得能够捕获激子的位置。这些被捕获的激子在光致发光光谱中作为自由亮激子下方的新发射出现，并且可以用于单光子发射（SPE）。在这项工作中，我们概述的标准，在我们的框架工作，单光子发射可以在二维材料中检测到，我们探讨如何在原子薄过渡金属dichalcogenides（TMD）这些标准可以实现。特别是，我们模型的缺陷的影响，按照最常见的实验realisations，对空间自相关函数的随机无序势。此外，我们提供了一种方法来控制这些发射的辐射寿命的混合异质结的ML TMD与石墨烯片和介电间隔，使福斯特共振能量转移过程。我们的工作预测了相应的SPE猝灭辐射寿命将在皮秒范围内，这个时间尺度与最近测量的该异质结构中激子寿命很好地一致
2021-05-09 cond-mat.mes-hall
Atomically thin p-n junctions with van der Waals heterointerfaces
半导体pn结是现代电子学和光电子学的基本构件。在常规半导体中，pn结在与未补偿掺杂剂原子相关联的平衡和内建电势下产生自由载流子的耗尽区。通过该区域的空间范围限定的扩散和漂移过程发生跨结的载流子输运。随着原子级薄的范德华（vdW）材料及其异质结构的出现，我们现在能够实现量子极限的pn结。特别是，由p型和n型半导体组成的vdW结，每一个只有一个单元电池厚的预测表现出完全不同的电荷传输特性比体结。在这里，我们报告的电子和光电特性的原子薄的p-n异质结制造使用VDW组件的过渡金属二硫属化物（TMDC）。在p-n界面，我们观察到栅极可调二极管类电流整流和光伏响应。我们发现，隧道辅助层间复合的多数载流子是负责的电子和光电过程的可调谐性。将原子pn结夹在石墨烯层之间增强了光激发载流子的收集。这里提出的原子尺度的vdW p-n异质结构成了功能电子和光电元件的最终量子极限。
2014-03-12 cond-mat.mes-hall
Theory of exciton-electron scattering in atomically thin semiconductors
在范德华材料中实现激子和载流子的混合，为强相互作用玻色-费米混合物的多体物理研究开辟了新的前沿。为了得到一个有效的低能量模型，这样的系统，我们开发了一个精确的对角化方法的基础上的离散变量表示，预测的散射和束缚态性质的三个电荷在二维过渡金属dichalcogenides。从量子力学的三体问题的解决方案，我们从而获得激子和trions的有效质量模型内的束缚态能量与量子Monte Carlo预测非常吻合。对角化方法也提供了访问的激发态的三体系统。这使我们能够预测电子和激子的散射相移，作为输入的激子和载流子在有限密度的相互作用的混合物的低能量理论。为此，我们推导出一个有效的激子电子散射的潜力，是直接适用于量子蒙特卡罗或图解多体技术。作为一个例子，我们通过研究过渡金属dichalcogenides中激子费米极化子的多体物理来展示这种方法，并且我们表明有限范围校正对光吸收光谱有实质性的影响。我们的方法可以应用到大量的多体现象，可实现在原子薄的半导体从激子本地化诱导超导。
2019-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Determination of scattering time and of valley occupation in transition-metal dichalcogenides doped by field effect
过渡金属二硫属化物作为一种可能的垫脚石，吸引了大量的关注，走向原子级薄和灵活的场效应晶体管。描述电荷传输的一个关键参数是两个连续散射事件之间的时间-传输散射时间。在最近的一份报告中，我们已经表明，它是可能的使用密度泛函理论，以获得能带结构的二维半导体在场效应掺杂的存在。在这里，我们报告了一个简单的方法来提取散射时间从实验电导率和知识的能带结构。我们将我们的方法应用到单层和多层的MoS $_2$，MoSe $_2$，MoTe $_2$，WS $_2$，和WSe $_2$在存在栅极。在WS $_2$中，我们发现散射时间与费米能级的态密度成反比。最后，我们表明，它是可能的，以确定不同的谷开始被占用的临界掺杂从掺杂依赖的导电性。
2016-02-02 cond-mat.mes-hall
Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides
随着剥离和合成技术的进步，最近已经分离和表征了半导体过渡金属二硫属化物的原子薄膜。它们的二维结构，加上在电磁波谱的可见光部分的直接带隙，表明适合于数字电子学和光电子学。为此，已经报道了几类高性能设备，以及在理解其物理特性方面的重大进展。在这里，我们提出了一个审查的架构，工作原理和物理的电子和光电子器件的基础上，过渡金属二硫族化物半导体。通过严格评估和比较这些器件与竞争技术的性能，确定了这类新兴电子材料的优缺点，从而为未来的发展提供了路线图。
2014-02-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Probing dark excitons in atomically thin semiconductors via near-field coupling to surface plasmon polaritons
过渡金属二硫属化物（TMD）单层是直接带隙半导体，其特征在于紧密束缚的激子、强自旋轨道耦合和自旋谷自由度。根据电子-空穴对的自旋配置，TMD单层的谷内激子可以是光学亮的或暗的。暗激子涉及名义上自旋禁戒的光学跃迁与零面内跃迁偶极矩，使他们的检测与传统的远场光学技术具有挑战性。在这里，我们介绍了一种新的方法，用于探测二维（2D）材料的光学性质，通过近场耦合到表面等离子体激元（SPPs），选择性地增强与垂直于2D平面的偶极矩的光学跃迁。我们利用这种方法直接检测暗激子在单层TMD。当WSe 2单层放置在单晶银膜的顶部时，其发射到近场耦合SPPs显示新的光谱特征，其能量和偶极子取向与暗中性和带电激子一致。基于SPP的近场光谱显著增强了探测和操纵原子级薄材料激子动力学的实验能力。
2017-01-20 cond-mat.mes-hall
Atomically thin semiconductors as nonlinear mirrors
我们发现，具有辐射增宽激子共振的过渡金属二硫属化物单分子层将表现出透射场的完美消光。由于平面无缺陷二维晶体中激子和光子的面内动量守恒，这一结果适用于任何入射角的s或p偏振弱共振光场。与单量子发射体的消光实验相反，激子-激子相互作用导致反射随着入射场的功率增加而增强，所述入射场相对于激子共振是蓝色失谐的。我们表明，相互作用限制了最大反射，可以通过耗尽进入的相干态到一个传出的双模压缩状态。
2017-01-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley-selective energy transfer between quantum dots in atomically thin semiconductors
在过渡金属二硫属化物的单层中，有效介电屏蔽的非局域性质导致激子的大结合能。额外的横向限制引起量子点中的激子局域化。通过假设电子和空穴都受抛物约束，我们导出了电子-空穴对相对运动和质心运动的模型波函数，并从理论上研究了两个相邻量子点中激子之间的共振能量转移.我们通过假设两个量子点之间的相互作用由库仑势描述来量化直接带隙跃迁的能量转移的概率，这使得我们能够包括相互作用的所有相关多极项。我们证明了量子点之间的谷选择性能量转移的结构控制。
2020-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Valley-controlled chiral magnetism in transition metal dichalcogenide monolayers
University of Hamburg（汉堡大学）；Lomonosov Moscow State University（莫斯科国立罗蒙诺索夫大学）；Ioffe Institute（约费研究所）
该研究提出过渡金属二硫化物单层中的RKKY相互作用可作为控制手性磁结构的工具，经理论与模拟证实其能改变反铁磁体相图，为二维范德华异质结构的相关研究提供了新控制手段。
2026-08-04 cond-mat.mes-hall
Interlayer Interactions in Anisotropic Atomically-thin Rhenium Diselenide
最近，具有强面内各向异性特性的二维（2D）材料（如黑磷）已显示出开发新器件的巨大潜力，这些新器件可以利用其降低的晶格对称性，在电子学、光电子学和热电学中具有潜在的应用。然而，迄今为止，具有强面内各向异性的2D材料的选择非常有限，并且仅零星的研究致力于具有降低的晶格对称性的过渡金属二硫属化物（TMDC）材料，这尚未传达其光学和声子性质的全貌，以及其层间相互作用中的各向异性。在这里，我们研究了一个重要的TMDC二维材料的各向异性层间相互作用与减少面内对称性-原子薄的硒化物（ReSe 2）-通过调查其超低频层间声子振动模式，层相关的光学带隙，和各向异性光致发光（PL）光谱的第一次。超低频层间拉曼光谱结合偏振分辨高频拉曼光谱在单层和双层ReSe 2的第一次研究，允许确定性识别其层数和晶体取向。PL测量显示各向异性的光发射强度与带隙增加从1.26 eV的散装到1.32 eV的单层，与基于第一性原理计算的理论结果相一致。拉曼模式和PL光谱的层数依赖性的研究揭示了相对较弱的范德华相互作用和二维量子限制在原子级薄的ReSe 2。
2015-04-28 cond-mat.mes-hall
Magneto-reflection spectroscopy of monolayer transition-metal dichalcogenide semiconductors in pulsed magnetic fields
我们描述了最近的实验努力，进行极化分辨光谱单层过渡金属二硫族化物半导体在非常大的脉冲磁场65特斯拉。详细讨论了实验装置和技术挑战，并给出了原子级薄二硫化钨（WS $_2$）随温度变化的磁反射谱。数据清楚地揭示了这些二维半导体中不仅存在谷塞曼效应，而且还存在小的二次激子抗磁位移，从中可以直接推断出非常小的激子尺寸。最后，我们提出了模型计算，演示了如何测量的抗磁位移可以用来限制在这个新的家庭的单层半导体激子结合能的估计。
2016-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The key role of non-local screening in the environment-insensitive exciton fine structures of transition-metal dichalcogenide monolayers
在这项工作中，我们提出了一个全面的理论和计算研究激子精细结构的WSe $_2$ -单层，最有名的二维（2D）过渡金属二硫属化物（TMD的），在各种介质层环境中，通过解决基于第一性原理的Bethe-Salpeter方程。虽然原子级薄纳米材料的物理和电子性质通常对周围环境的变化很敏感，但我们的研究表明，介电环境对TMD-ML的激子精细结构的影响是令人惊讶的有限。指出库仑屏蔽的非定域性对抑制介电环境的影响，并使TMD-ML的亮激子（BX）态和各种暗激子（DX）态之间的精细结构劈裂显著收缩起着关键作用。二维材料中屏蔽的有趣非定域性可以通过BX-DX分裂与激子结合能之间的可测量的{ \it非线性}相关性来表现，其中激子结合能随周围介电环境的变化而变化。所揭示的环境不敏感的激子精细结构的TMD-ML的建议的鲁棒性的未来的暗激子为基础的光电子学对不均匀的介电环境的不可避免的变化。
2023-02-22 cond-mat.mes-hall
