We study photoluminescence (PL) spectra and exciton dynamics of the MoS2 monolayer (ML) grown by the chemical vapor deposition technique. In addition to the usual direct A-exciton line, we observe a low-energy line of bound excitons dominating the PL spectra at low temperatures. This line shows unusually strong redshift with an increase in the temperature and submicrosecond time dynamics suggesting indirect nature of the corresponding transition. By monitoring the temporal dynamics of exciton PL distribution in the ML plane, we observe diffusive transport of A-excitons and measure the diffusion coefficient up to 40 cm2/s at elevated excitation powers. The bound exciton spatial distribution spreads over tens of micrometers in 1μs. However, this spread is subdiffusive, characterized by a significant slowing down with time. The experimental findings are interpreted as a result of the interplay between the diffusion and Auger recombination of excitons.

1.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
2.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
3.
Y.
Liu
,
N. O.
Weiss
,
X.
Duan
 et al.,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16042
(
2016
).
4.
K. F.
Mak
and
J.
Shan
,
Nat. Photonics
10
,
216
(
2016
).
5.
W.
Choi
,
N.
Choudhary
,
G. H.
Han
 et al.,
Mater. Today
20
,
116
(
2017
).
6.
S.
Manzeli
,
D.
Ovchinnikov
,
D.
Pasquier
,
O. V.
Yazyev
, and
A.
Kis
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17033
(
2017
).
7.
M. V.
Durnev
and
M. M.
Glazov
,
Phys.-Usp.
61
,
825
(
2018
).
8.
L. A.
Chernozatonskii
and
A. A.
Artyukh
,
Phys.-Usp.
61
,
2
(
2018
).
9.
G.
Wang
,
A.
Chernikov
,
M.
Glazov
 et al.,
Rev. Mod. Phys.
90
,
021001
(
2018
).
10.
M. M.
Glazov
and
E. L.
Ivchenko
,
JETP Lett.
113
,
7
(
2021
).
11.
T.
Cheiwchanchamnangij
and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Rev. B
85
,
205302
(
2012
).
12.
A.
Ramasubramaniam
,
Phys. Rev. B
86
,
115409
(
2012
).
13.
A.
Chernikov
,
T. C.
Berkelbach
,
H. M.
Hill
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
113
,
076802
(
2014
).
14.
Z. Y.
Zhu
,
Y. C.
Cheng
, and
U.
Schwingenschlögl
,
Phys. Rev. B
84
,
153402
(
2011
).
15.
M. M.
Glazov
,
E. L.
Ivchenko
,
G.
Wang
 et al.,
Phys. Status Solidi B
252
,
2349
(
2015
).
16.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
17.
K. F.
Mak
,
K.
He
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
494
(
2012
).
18.
H.
Zeng
,
J.
Dai
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
, and
X.
Cui
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
490
(
2012
).
19.
C.
Mai
,
A.
Barrette
,
Y.
Yu
 et al.,
Nano Lett.
14
,
202
(
2014
).
20.
D.
Jariwala
,
V. K.
Sangwan
,
L. J.
Lauhon
,
T. J.
Marks
, and
M. C.
Hersam
,
ACS Nano
8
,
1102
(
2014
).
21.
J. R.
Schaibley
,
H.
Yu
,
G.
Clark
 et al.,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16055
(
2016
).
22.
A.
Neumann
,
J.
Lindlau
,
L.
Colombier
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
12
,
329
(
2017
).
23.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
 et al.,
Nano Lett.
10
,
1271
(
2010
).
24.
M.
Amani
,
D.-H.
Lien
,
D.
Kiriya
 et al.,
Science
350
,
1065
(
2015
).
25.
F.
Cadiz
,
S.
Tricard
,
M.
Gay
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
108
,
251106
(
2016
).
26.
Z.
Lin
,
B. R.
Carvalho
,
E.
Kahn
 et al.,
2D Mater.
3
,
022002
(
2016
).
27.
J.
Hong
,
C.
Jin
,
J.
Yuan
, and
Z.
Zhang
,
Adv. Mater.
29
,
1606434
(
2017
).
28.
Z.
Wu
and
Z.
Ni
,
Nanophotonics
6
,
1219
(
2017
).
29.
Z.
Hu
,
Z.
Wu
,
C.
Han
 et al.,
Chem. Soc. Rev.
47
,
3100
(
2018
).
30.
G.-Y.
Zhao
,
H.
Deng
,
N.
Tyree
 et al.,
Appl. Sci.
9
,
678
(
2019
).
31.
M.
Zhou
,
W.
Wang
,
J.
Lu
, and
Z.
Ni
,
Nano Res.
14
,
29
(
2021
).
32.
T.
Korn
,
S.
Heydrich
,
M.
Hirmer
,
J.
Schmutzler
, and
C.
Schüller
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102109
(
2011
).
33.
G.
Plechinger
,
F.-X.
Schrettenbrunner
,
J.
Eroms
 et al.,
Phys. Status Solidi RRL
6
,
126
(
2012
).
34.
S.
Tongay
,
J.
Suh
,
C.
Ataca
 et al.,
Sci. Rep.
3
,
2657
(
2013
).
35.
W.
Zhou
,
X.
Zou
,
S.
Najmaei
 et al.,
Nano Lett.
13
,
2615
(
2013
).
36.
Y.-M.
He
,
G.
Clark
,
J. R.
Schaibley
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
10
,
497
(
2015
).
37.
A.
Srivastava
,
M.
Sidler
,
A. V.
Allain
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
10
,
491
(
2015
).
38.
S.
Kumar
,
A.
Kaczmarczyk
, and
B. D.
Gerardot
,
Nano Lett.
15
,
7567
(
2015
).
39.
P.
Tonndorf
,
R.
Schmidt
,
R.
Schneider
 et al.,
Optica
2
,
347
(
2015
).
40.
A.
Branny
,
G.
Wang
,
S.
Kumar
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
108
,
142101
(
2016
).
41.
N.
Saigal
and
S.
Ghosh
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
122105
(
2016
).
42.
P. K.
Chow
,
R. B.
Jacobs-Gedrim
,
J.
Gao
 et al.,
ACS Nano
9
,
1520
(
2015
).
43.
Z.
Wu
,
W.
Zhao
,
J.
Jiang
 et al.,
J. Phys. Chem. C
121
,
12294
(
2017
).
44.
L.
Yuan
,
T.
Wang
,
T.
Zhu
,
M.
Zhou
, and
L.
Huang
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
3371
(
2017
).
45.
M.
Kulig
,
J.
Zipfel
,
P.
Nagler
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
120
,
207401
(
2018
).
46.
A. J.
Goodman
,
D.-H.
Lien
,
G. H.
Ahn
 et al.,
J. Phys. Chem. C
124
,
12175
(
2020
).
47.
H.
Liu
,
C.
Wang
,
Z.
Zuo
,
D.
Liu
, and
J.
Luo
,
Adv. Mater.
32
,
1906540
(
2020
).
48.
R.
Rosati
,
S.
Brem
,
R.
Perea-Causín
 et al.,
2D Mater.
8
,
015030
(
2020
).
49.
Y.
Fu
,
D.
He
,
J.
He
 et al.,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1901307
(
2019
).
50.
J.
Zipfel
,
M.
Kulig
,
R.
Perea-Causín
 et al.,
Phys. Rev. B
101
,
115430
(
2020
).
51.
S. A.
Tarasenko
,
A. A.
Kiselev
,
E. L.
Ivchenko
 et al.,
Semicond. Sci. Technol.
16
,
486
(
2001
).
52.
Q.
Cui
,
F.
Ceballos
,
N.
Kumar
, and
H.
Zhao
,
ACS Nano
8
,
2970
(
2014
).
53.
S.
Mouri
,
Y.
Miyauchi
,
M.
Toh
 et al.,
Phys. Rev. B
90
,
155449
(
2014
).
54.
F.
Cadiz
,
C.
Robert
,
E.
Courtade
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
112
,
152106
(
2018
).
55.
D. F.
Cordovilla Leon
,
Z.
Li
,
S. W.
Jang
,
C.-H.
Cheng
, and
P. B.
Deotare
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
252101
(
2018
).
56.
D. F.
Cordovilla Leon
,
Z.
Li
,
S. W.
Jang
, and
P. B.
Deotare
,
Phys. Rev. B
100
,
241401
(
2019
).
57.
N.
Kumar
,
Q.
Cui
,
F.
Ceballos
 et al.,
Nanoscale
6
,
4915
(
2014
).
58.
T.
Hotta
,
S.
Higuchi
,
A.
Ueda
 et al.,
Phys. Rev. B
102
,
115424
(
2020
).
59.
S.
Hao
,
M. Z.
Bellus
,
D.
He
,
Y.
Wang
, and
H.
Zhao
,
Nanoscale Horiz.
5
,
139
(
2020
).
60.
S. Z.
Uddin
,
H.
Kim
,
M.
Lorenzon
 et al.,
ACS Nano
14
,
13433
(
2020
).
61.
Y.
Yu
,
Y.
Yu
,
G.
Li
 et al.,
Sci. Adv.
6
,
eabb4823
(
2020
).
62.
S. A.
Smagulova
,
P. V.
Vinokurov
,
A. A.
Semenova
 et al.,
Semiconductor
54
,
454
(
2020
).
63.
W. H.
Chae
,
J. D.
Cain
,
E. D.
Hanson
,
A. A.
Murthy
, and
V. P.
Dravid
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
143106
(
2017
).
64.
G.
Plechinger
,
J.
Mann
,
E.
Preciado
 et al.,
Semicond. Sci. Technol.
29
,
064008
(
2014
).
65.
K. M.
McCreary
,
A. T.
Hanbicki
,
S.
Singh
 et al.,
Sci. Rep.
6
,
35154
(
2016
).
66.
M. A.
Akmaev
,
M. V.
Kochiev
,
A. I.
Duleba
 et al.,
JETP Lett.
112
,
607
(
2020
).
67.
A. J.
Goodman
,
A. P.
Willard
, and
W. A.
Tisdale
,
Phys. Rev. B
96
,
121404(R)
(
2017
).
68.
C.
Ma
,
J.
Yan
,
Y.
Huang
,
Z.
Zheng
, and
G.
Yang
,
Nanotechnology
31
,
065204
(
2020
).
69.
E.
Blundo
,
M.
Felici
,
T.
Yildirim
 et al.,
Phys. Rev. Res.
2
,
012024
(
2020
).
70.
J.
Pető
,
G.
Dobrik
,
G.
Kukucska
 et al.,
npj 2D Mater. Appl.
3
,
1
(
2019
).
71.
J.
Chaste
,
A.
Missaoui
,
S.
Huang
 et al.,
ACS Nano
12
,
3235
(
2018
).
72.
L.
Fu
,
Y.
Wan
,
N.
Tang
 et al.,
Sci. Adv.
3
,
e1700162
(
2017
).
73.
H. J.
Conley
,
B.
Wang
,
J. I.
Ziegler
 et al.,
Nano Lett.
13
,
3626
(
2013
).
74.
Q.
Yue
,
J.
Kang
,
Z.
Shao
 et al.,
Phys. Lett. A
376
,
1166
(
2012
).
75.
I. A.
Eliseyev
,
A. I.
Galimov
,
M. V.
Rakhlin
 et al., arXiv:2105.07934 (
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.