論文の概要: Engineering the Radiative Dynamics of Thermalized Excitons with Metal Interfaces

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.05577v1
• Date: Mon, 11 Oct 2021 19:40:24 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-11 19:01:12.209695
• Title: Engineering the Radiative Dynamics of Thermalized Excitons with Metal Interfaces
• Title（参考訳）: 金属界面を用いた熱励起子の放射動力学
• Authors: Grace H. Chen, David Z. Li, Amy Butcher, Alexander A. High, Darrick E. Chang
• Abstract要約: 平面金属界面近傍のTMDCにおける励起子の発光特性を解析した。 点双極子の場合に対する放出の抑制または増強は、数桁のオーダーで達成される。 ナノスケールの光学キャビティは、TMDCの長寿命エキシトン状態を生成するための有効な経路である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 58.720142291102135
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: As a platform for optoelectronic devices based on exciton dynamics, monolayer transition metal dichalcogenides (TMDCs) are often placed near metal interfaces or inside planar cavities. While the radiative properties of point dipoles at metal interfaces has been studied extensively, those of excitons, which are delocalized and exhibit a temperature-dependent momentum distribution, lack a thorough treatment. Here, we analyze the emission properties of excitons in TMDCs near planar metal interfaces and explore their dependence on exciton center-of-mass momentum, transition dipole orientation, and temperature. Defining a characteristic energy scale $k_B T_c = (\hbar k)^2/2m$~($k$ being the radiative wavevector and $m$ the exciton mass), we find that at temperatures $T\gg T_c$ and low densities where the momentum distribution can be characterized by Maxwell-Boltzmann statistics, the modified emission rates~(normalized to free space) behave similarly to point dipoles at temperatures $T\gg T_c$. This similarity in behavior arises due to the broad nature of wavevector components making up the exciton and point dipole emission. On the other hand, the narrow momentum distribution of excitons for $T<T_c$ can result in significantly different emission behavior as compared to point dipoles. These differences can be further amplified by considering excitons with a Bose Einstein distribution at high phase space densities. We find suppression or enhancement of emission relative to the point dipole case by several orders of magnitude. These insights can help optimize the performance of optoelectronic devices that incorporate 2D semiconductors near metal electrodes and can inform future studies of exciton radiative dynamics at low temperatures. Additionally, these studies show that nanoscale optical cavities are a viable pathway to generating long-lifetime exciton states in TMDCs.
• Abstract（参考訳）: エキシトンダイナミクスに基づく光電子デバイスのためのプラットフォームとして、単層遷移金属ジカルコゲナイド(tmdc)はしばしば金属界面または平面キャビティの内部に配置される。 金属界面における点双極子の放射特性は広く研究されているが、非局在化され温度依存性の運動量分布を示す励起子の放射特性は完全な処理を欠いている。 ここでは, 平面金属界面近傍のTMDCにおける励起子の発光特性を解析し, 励起子中心運動量, 遷移双極子配向, 温度への依存性について検討する。 特徴的なエネルギースケールである $k_b t_c = (\hbar k)^2/2m$~($k$ は放射波ベクトルであり、エキシトン質量は $m$ である)を定義すると、温度 $t\gg t_c$ と、運動量分布がマクスウェル・ボルツマン統計によって特徴づけられる低い密度において、修正された放出率~(自由空間に正規化)は、温度 $t\gg t_c$ における点双極子と同様に振る舞う。 この挙動の類似性は、励起子と点双極子放出を構成する波動ベクトル成分の広い性質によって生じる。 一方、$t<t_c$ の励起子の狭い運動量分布は、点双極子と比較して非常に異なる放出挙動をもたらす。 これらの違いは、高相空間密度でボースアインシュタイン分布を持つ励起子を考えることでさらに増幅することができる。 点双極子の場合に対する放出の抑制あるいは増強は、数桁のオーダーで行われる。 これらの知見は、金属電極の近くに2d半導体を組み込んだ光電子デバイスの性能を最適化し、低温での励起子放射ダイナミクスの将来の研究に役立てることができる。 さらに, ナノスケール光キャビティはtmdcにおける長寿命励起子状態の生成に有効な経路であることを示した。

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