化学气相沉积（CVD）生长的单层二硫化钼（MoS2）中的缺陷是不可避免的，并且为通过局域激子来创建单光子发射器和量子信息系统提供了强有力的方法。然而，对于单层MoS2中A−三元激子和B/C激子的局域化仍然缺乏清晰的认识。在本研究中，
通过瞬态吸收光谱学研究了CVD生长的单层MoS2样品中缺陷介导的A−三元激子和B/C激子的局域化和松弛。
A−三元激子的局域化速率是B激子的五倍，这归因于玻尔半径、扩散速率和多声子发射的区别。
此外，获得了直接激发局域C激子的明确实验证据。通过第一性原理计算揭示的带巢区域的变化能量解释了局域C激子能量对延迟时间的异常依赖性。还发现，局域C激子的快速解离具有约0.14皮秒的短特征时间，而测量的松弛时间则长得多。本研究的结果为单层MoS2中缺陷介导的激子松弛和局域动力学提供了一个全面的图景。
1. 样品制备：
- 通过化学气相沉积（CVD）方法生长单层MoS2，使用硫粉和MoO3作为前驱体，NaOH作为生长促进剂。
2. 瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy）：
- 使用飞秒宽带瞬态吸收光谱仪进行测量，该设备由飞秒激光器（Pharos-20, LightConversion）驱动，产生200 fs，1030 nm脉冲，重复频率为100 kHz。
- 将部分脉冲能量（80%）导入BBO晶体产生515/343 nm的泵浦光，剩余20%的能量聚焦在YAG晶体上产生白光连续探针光。
- 泵浦光和探针光非共线聚焦到样品上，通过光纤耦合光谱仪检测透射的探针光谱。
1. 缺陷介导的激子局域化和松弛动力学研究：
- 论文深入研究了化学气相沉积（CVD）生长的单层MoS2中缺陷对激子（包括A−三元激子和B/C激子）局域化和松弛的影响，这是对二维材料中激子动力学理解的重要补充。
2. A−三元激子与B激子动力学差异性的发现：
- 论文发现A−三元激子的局域化速率是B激子的五倍，这一发现归因于两者在玻尔半径、扩散速率和多声子发射方面的差异，为理解激子动力学提供了新的视角。
3. C激子的直接激发和局域化机制：
- 通过瞬态吸收光谱学，论文获得了直接激发局域C激子的明确实验证据，并提出了缺陷介导的C激子局域化模型，解释了C激子能量对泵浦光束延迟时间的异常依赖性。
4. 局域C激子的快速解离特性：
- 论文发现局域C激子具有快速解离的特性，其特征时间为约0.14 ps，这一发现对于理解C激子的动力学行为具有重要意义。
5. 带巢区能量变化的首次原理计算：
- 通过第一性原理计算，论文揭示了带巢区能量变化对局域C激子能量的影响，为理解激子局域化提供了理论支持。
6. 激子局域化与松弛过程的全面理解：
- 论文提供了一个全面的图景，展示了缺陷介导的激子局域化和松弛动力学，这对于设计和优化基于二维材料的光电子器件具有指导意义。
在本项研究中，探究了缺陷
在CVD生长的单层MoS2中局域化和松弛A−三元激子以及B/C激子的作用
。被禁带中的缺陷能级捕获后，A−三元激子的局域化速率被发现是B激子的五倍，导致A−三元激子比B激子松弛得快得多，这归因于玻尔半径、扩散速率和多声子发射的综合差异。缺陷能级的存在，加上带巢区域单调变化的能隙能量和泡利阻塞效应，对C激子产生了四个重要的影响。首先，由泵浦光子诱导的瞬态漂白峰对应于C激子能量，其能量远低于带巢区域的能隙能量。其次，局域C激子的漂白峰与自由C激子相比显示出明显的红移。第三，局域C激子的漂白峰随着延迟时间的增加而蓝移，通过拟合局域C激子的峰位移动，我们得到了局域C激子中空穴的流动时间，为0.14 ± 0.02皮秒。第四，局域C激子内的谷间和带内空穴转移显示出明显的泵浦光强依赖性。这些发现和理解为缺陷在激子动力学中的作用提供了深刻的见解，并对提高二维材料中的光学和光电子器件的性能提供了有用的参考。
图 1. 具有 S 空位的单层 MoS2 的表征。 （a）具有大量S空位的单层MoS2的TEM图像（用黄色圆圈标记）。 (b) (a) 图中黄色箭头标记的相应强度线轮廓。 S空位的位置用红色五角星标记。 (c, d) 室温下单层 MoS2 的拉曼和 PL 光谱。 (e) 单层 MoS2 随温度变化的 PL 光谱。
图 2. 单层 MoS2 的吸收光谱。 在 19 μJ/cm2 泵浦注量和 515 nm 波长下通过飞秒泵浦探针实验得到的单层 MoS2 的稳态吸收光谱（粉色虚线）和瞬态吸收光谱。
图 3. A− trion 和 B 激子的超快局域化和弛豫动力学。 （a）单层MoS2中A−三重子和B激子在不同延迟时间、泵浦注量19 μJ/cm2、波长515 nm下的瞬态吸收光谱。 A− trion 和 B 激子漂白峰分别安装在浅黄色和浅蓝色区域。 (b)A−三重子和B激子的归一化衰减曲线。 插图是两个饼图，显示第一个（浅绿色）、第二个（蓝色）和第三个（橙色）衰变分量的寿命和权重因子。 (c) A− trion/B 激子的光物理过程示意图。 浅绿色、蓝色和橙色箭头显示了三个衰变过程：激子-激子湮灭、激子局域化和激子辐射复合。 红色箭头显示局域 A− trion/B 激子的光致吸收 (PIA) 过程。 单层 MoS2 的泵注量依赖 (d) A− trion 和 (e) B 激子衰减曲线。 区域 I、II 和 III 对应于面板 (c) 中的三个衰变过程。 (f) PIA 信号在 710 和 650 nm 处的衰减曲线。
图 4. C 激子的超快局域化动力学。 (a) 延迟时间为 0.74 ps、泵浦波长为 515 nm 的 C/D 激子的泵注量依赖性瞬态吸收光谱。 (b) C/D 激子的漂白峰值位置作为泵注量的函数。 线外的半透明带代表误差线。 (c) 局域 C 激子直接激发的图示。 C/D 激子在 (d) 515 nm 和 (e) 343 nm 泵浦不同延迟时间下的瞬态吸收光谱。 (f) 343 和 515 nm 泵浦下 C/D 激子的漂白峰值位置作为延迟时间的函数。 (g) 无泵浦、(h) 343 nm 泵浦和 (i) 515 nm 泵浦下 C 激子内电子和空穴的分布图。 底部：具有泵浦（浅黄色）和无泵浦（浅绿色）的示意性吸收光谱以及上述分布的示意性瞬态吸收光谱（浅蓝色）。 (j) 空穴快速移动后局域 C 激子内电子和空穴分布的图示。 黄色箭头表示孔的流动方向。 底部：具有泵浦（浅黄色）和无泵浦（浅绿色）的示意性吸收光谱以及上述分布的示意性瞬态吸收光谱（浅蓝色）。
图 5. C 激子的超快弛豫动力学。 (a) 515 nm 泵浦下局域 C 激子的泵注量依赖衰减曲线。 (b) 局域 C 激子的寿命与泵注量的函数关系。 松弛时间 t1 对应于带内传输，t2 对应于间隔传输。 (c) 局域 C 激子弛豫过程的图示。 蓝色箭头表示层间跃迁过程，浅绿色箭头表示带内弛豫过程。
文献：
Defect-Mediated Exciton Localization and Relaxation in Monolayer MoS2
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12814
