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Excitonic Linewidth Approaching the Homogeneous Limit in MoS 2 -Based van der Waals Heterostructures

Authors :
Cadiz, Fabian
Courtade, Emmanuel
Robert, Cédric
Wang, Gang
Shen, Y.
Cai, H.
Taniguchi, T.
Watanabe, K.
Lagarde, David
Carrère, Hélène
Manca, Marco
Amand, Thierry
Renucci, Pierre
Tongay, S.
Marie, Xavier
Urbaszek, B.
Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO)
Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
ASU - School for Engineering of Matter, Transport and Energy
Arizona State University [Tempe] (ASU)
National Institute for Materials Science (NIMS)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Physical Review X, Physical Review X, American Physical Society, 2017, 7 (2), Physical Review X, 2017, 7 (2)
Publication Year :
2017

Abstract

International audience; The strong light-matter interaction and the valley selective optical selection rules make monolayer (ML) MoS2 an exciting 2D material for fundamental physics and optoelectronics applications. But, so far, optical transition linewidths even at low temperature are typically as large as a few tens of meV and contain homogeneous and inhomogeneous contributions. This prevented in-depth studies, in contrast to the better-characterized ML materials MoSe2 and WSe2. In this work, we show that encapsulation of ML MoS2 in hexagonal boron nitride can efficiently suppress the inhomogeneous contribution to the exciton linewidth, as we measure in photoluminescence and reflectivity a FWHM down to 2 meV at T=4 K. Narrow optical transition linewidths are also observed in encapsulated WS2, WSe2, and MoSe2 MLs. This indicates that surface protection and substrate flatness are key ingredients for obtaining stable, high-quality samples. Among the new possibilities offered by the well-defined optical transitions, we measure the homogeneous broadening induced by the interaction with phonons in temperature-dependent experiments. We uncover new information on spin and valley physics and present the rotation of valley coherence in applied magnetic fields perpendicular to the ML.

Details

ISSN :
21603308
Database :
OpenAIRE
Journal :
Physical Review X
Accession number :
edsair.dedup.wf.001..9d2e84894b89f5af972d6634cc1f0157
Full Text :
https://doi.org/10.1103/physrevx.7.021026