المفاهيم الأساسية
單軸應變可以顯著改變 MoS2 單層材料中明亮、灰色和暗激子的能帶色散、擴散特性和光學特性,這種影響主要源於應變誘導的谷漂移和動量相關電子-空穴交換相互作用之間的競爭。
本研究利用基於第一性原理的 Bethe-Salpeter 方程 (BSE) ,對單軸應變過渡金屬二硫屬化物單層 (TMD-MLs) 的應變調製激子特性進行了全面的理論研究。研究發現,對 MoS2 單層施加單軸應變會導致明亮激子 (BX)、灰色激子 (GX) 和暗激子 (DX) 狀態的能帶色散呈現多樣化,這是應變誘導的谷漂移 (VD) 和動量相關電子-空穴交換相互作用 (EHEI) 之間競爭性相互作用的結果。
主要發現
雖然 BX 雙峰在可見光的小倒易空間區域的能帶色散幾乎不隨應變而改變,但 DX 的能帶色散會隨著單軸應變的增加而從拋物線形狀變為墨西哥帽狀外形,其特徵是重有效質量的異常符號反轉和應變激活的亮度。
相反,GX 的有效質量因單軸應變而顯著減輕,並且始終保持正值。
應變多樣化的激子能帶色散導致應變 TMD-ML 中 BX、GX 和 DX 的激子擴散率和角分辨光學圖案不同,這表明在激子輸運實驗和角分辨光譜學中空間分辨自旋允許和自旋禁止激子的可行性。
研究方法
密度泛函理論 (DFT) 計算:利用 Quantum Espresso (QE) 软件包計算應變 MoS2-ML 的準粒子能帶結構和波函數。
Bethe-Salpeter 方程 (BSE) 計算:基於 DFT 計算結果,利用內部開發的代碼求解基於 DFT 的 BSE,並考慮多層系統中的非局部介電屏蔽效應,計算 hBN 封裝的 MoS2-ML 的激子精細結構和能帶色散。
研究意義
本研究揭示了單軸應變對 MoS2 單層材料中不同類型激子特性影響的差異性,為理解和調控二維材料中的激子行為提供了新的思路。
研究結果表明,單軸應變可以作為一種有效手段,用於在激子輸運實驗或角分辨光譜學中空間分辨 BX、GX 和 DX 激子態。
研究限制和未來方向
本研究主要集中在 MoS2 單層材料上,未來可以進一步研究其他 TMD-MLs 材料的應變調製激子特性。
可以進一步探索利用單軸應變調控激子特性在新型光電子器件和谷電子學器件中的應用。
الإحصائيات
在單軸應變為 0% 到 +5% 的情況下,BX 的有效質量 M Bl xx 逐漸從 1.094m0 增加到 2.535m0,而 GX 的有效質量 M GX xx 則從 1.455m0 急劇下降到 0.125m0。
當單軸應變達到臨界值 εxx ≈1.7% ≡ εc 時,DX 的有效質量 M DX xx 發生符號反轉,變為負值。