碳纳米管中的太赫兹激子学：激子自电离与倍增
材料科学
2020-04-07 v1
摘要
激子在现代半导体（如单壁碳纳米管 (SWCNTs)、过渡金属二硫化物和二维钙钛矿量子阱）的光学过程中扮演重要角色。它们具有极大的结合能 (>100~meV)，即使在高温下也主导吸收和发射光谱。巨大的结合能意味着它们很稳定，即难以电离，这使得它们似乎不适合需要可移动电荷载流子的光电器件，尤其是太赫兹发射器和太阳能电池。在此，我们对排列整齐的单手性半导体 SWCNTs 薄膜进行了太赫兹发射和光电流研究，发现激子会发生自电离，即自发解离为电子和空穴。该过程在保持能量和动量守恒的同时，自然地以超快速度 (<1~ps) 发生。当施加直流偏置时，产生的载流子可被加速以发射太赫兹辐射脉冲，与标准的 GaAs 基发射器相比具有可观的效率。此外，在高偏置下，被加速的载流子获得足够高的动能，通过碰撞激子产生机制产生次级激子，这同样完全遵循能量和动量守恒。这种激子倍增过程导致光电流随偏置呈非线性增加。我们基于非平衡玻尔兹曼输运方程的理论模拟考虑了所有可能的散射路径和真实的能带结构，半定量地再现了我们所有的实验数据。这些结果不仅阐明了 SWCNTs 中激子和载流子的动量依赖超快动力学，还指明了尽管激子结合能与太赫兹光子能量之间存在数量级的失配，但实现太赫兹激子学的有希望的途径。
引用
@article{arxiv.2004.02615,
title = {Terahertz Excitonics in Carbon Nanotubes: Exciton Autoionization and Multiplication},
author = {Filchito Renee G. Bagsican and Michael Wais and Natsumi Komatsu and Weilu Gao and Lincoln W. Weber and Kazunori Serita and Hironaru Murakami and Karsten Held and Frank A. Hegmann and Masayoshi Tonouchi and Junichiro Kono and Iwao Kawayama and Marco Battiato},
journal= {arXiv preprint arXiv:2004.02615},
year = {2020}
}