Understanding and facilitating defects in two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) are of fundamental importance for their application in optoelectronic devices and valleytronic devices. In this study, swift heavy ion (SHI) irradiation was applied to introduce defects in monolayer WSe2 in a controlled manner. Temperature-dependent photoluminescence and transient absorption spectroscopy are employed to investigate the excitonic performances in defective WSe2. It is observed that the trion emission rises up alongside exciton emission for WSe2 irradiated with elevated ion fluences. Defects introduced by SHI irradiation can strongly localize carriers and weaken the exciton–phonon coupling and further affect the optical signatures of the excitons. Photoexcited electron–hole pairs were suppressed to form excitons due to the weaken phonon scattering, and the population of exciton was reduced for the irradiated WSe2. These results reveal that SHI irradiation is an effective technique to explore defect dependence of exciton formation and evolution dynamics in TMDCs, which have important implications for various optoelectronic applications.
References
1.
K. F.
Mak
, C.
Lee
, J.
Hone
, J.
Shan
, and T. F.
Heinz
, Phys. Rev. Lett.
105
(13
), 136805
(2010
).2.
A.
Splendiani
, L.
Sun
, Y.
Zhang
, T.
Li
, J.
Kim
, C. Y.
Chim
, G.
Galli
, and F.
Wang
, Nano Lett.
10
(4
), 1271
–1275
(2010
).3.
J. S.
Ross
, S.
Wu
, H.
Yu
, N. J.
Ghimire
, A.
Jones
, G.
Aivazian
, J.
Yan
, D. G.
Mandrus
, D.
Xiao
, W.
Yao
, and X.
Xu
, Nat. Commun.
4
, 1474
(2013
).4.
B.
Zhu
, X.
Chen
, and X.
Cui
, Sci. Rep.
5
, 9218
(2015
).5.
A.
Boulesbaa
, B.
Huang
, K.
Wang
, M. W.
Lin
, M.
Mahjouri-Samani
, C.
Rouleau
, K.
Xiao
, M.
Yoon
, B.
Sumpter
, A.
Puretzky
, and D.
Geohegan
, Phys. Rev. B
92
(11
), 115443
(2015
).6.
Y. M.
You
, X. X.
Zhang
, T. C.
Berkelbach
, M. S.
Hybertsen
, D. R.
Reichman
, and T. F.
Heinz
, Nat. Phys.
11
(6
), 477
–481
(2015
).7.
G.
Wang
, C.
Robert
, M. M.
Glazov
, F.
Cadiz
, E.
Courtade
, T.
Amand
, D.
Lagarde
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, B.
Urbaszek
, and X.
Marie
, Phys. Rev. Lett.
119
(4
), 047401
(2017
).8.
E.
Liu
, J.
van Baren
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, Y. C.
Chang
, and C. H.
Lui
, Phys. Rev. Res.
1
(3
), 032007(R)
(2019
).9.
S.
Zhao
, L.
Tao
, P.
Miao
, X.
Wang
, Z.
Liu
, Y.
Wang
, B.
Li
, Y.
Sui
, and Y.
Wang
, Nano Res.
11
(7
), 3922
–3930
(2018
).10.
A. K. M.
Newaz
, D.
Prasai
, J. I.
Ziegler
, D.
Caudel
, S.
Robinson
, R. F.
Haglund
, and K. I.
Bolotin
, Solid State Commun.
155
, 49
–52
(2013
).11.
K. F.
Mak
, K.
He
, C.
Lee
, G. H.
Lee
, J.
Hone
, T. F.
Heinz
, and J.
Shan
, Nat. Mater.
12
(3
), 207
–211
(2013
).12.
A.
Arora
, M.
Koperski
, K.
Nogajewski
, J.
Marcus
, C.
Faugerasa
, and M.
Potemski
, Nanoscale
7
(23
), 10421
–10429
(2015
).13.
G.
Moody
, K.
Tran
, X.
Lu
, T.
Autry
, J. M.
Fraser
, R. P.
Mirin
, L.
Yang
, X.
Li
, and K. L.
Silverman
, Phys. Rev. Lett.
121
(5
), 057403
(2018
).14.
K.
Hao
, G.
Moody
, F.
Wu
, C. K.
Dass
, L.
Xu
, C. H.
Chen
, L.
Sun
, M. Y.
Li
, L. J.
Li
, A. H.
MacDonald
, and X.
Li
, Nat. Phys.
12
(7
), 677
–682
(2016
).15.
S.
Zhang
, C. G.
Wang
, M. Y.
Li
, D.
Huang
, L. J.
Li
, W.
Ji
, and S.
Wu
, Phys. Rev. Lett.
119
, 046101
(2017
).16.
S.
Tongay
, J.
Suh
, C.
Ataca
, W.
Fan
, A.
Luce
, J. S.
Kang
, J.
Liu
, C.
Ko
, R.
Raghunathanan
, J.
Zhou
, F.
Ogletree
, J.
Li
, J. C.
Grossman
, and J.
Wu
, Sci. Rep.
3
, 2657
(2013
).17.
S.
Refaely-Abramson
, D. Y.
Qiu
, S. G.
Louie
, and J. B.
Neaton
, Phys. Rev. Lett.
121
, 167402
(2018
).18.
L.
Linhart
, M.
Paur
, V.
Smejkal
, J.
Burgdörfer
, T.
Mueller
, and F.
Libisch
, Phys. Rev. Lett.
123
(14
), 146401
(2019
).19.
Y. M.
He
, G.
Clark
, J. R.
Schaibley
, Y.
He
, M. C.
Chen
, Y. J.
Wei
, X.
Ding
, Q.
Zhang
, W.
Yao
, X.
Xu
, C. Y.
Lu
, and J. W.
Pan
, Nat. Nanotechnol.
10
(6
), 497
–502
(2015
).20.
M.
Koperski
, K.
Nogajewski
, A.
Arora
, V.
Cherkez
, P.
Mallet
, J.-Y.
Veuillen
, J.
Marcus
, P.
Kossacki
, and M.
Potemski
, Nat. Nanotechnol.
10
(6
), 503
–506
(2015
).21.
H.
Liu
, C.
Wang
, Z.
Zuo
, D.
Liu
, and J.
Luo
, Adv. Mater.
32
(2
), 1906540
(2020
).22.
J.
Zeng
, J.
Liu
, S.
Zhang
, J.
Duan
, P.
Zhai
, H.
Yao
, P.
Hu
, K.
Maaz
, and Y.
Sun
, Carbon
154
, 244
–253
(2019
).23.
S.
Zhang
, P.
Hu
, L.
Xu
, H.
Chen
, K.
Maaz
, P.
Zhai
, Z.
Li
, L.
Liu
, W.
Ai
, J.
Zeng
, and J.
Liu
, J. Phys. Chem. C
125
(37
), 20389
–20396
(2021
).24.
Z. Q.
Li
and F.
Chen
, Appl. Phys. Rev.
4
, 011103
(2017
).25.
J. F.
Ziegler
, M. D.
Ziegler
, and J. P.
Biersack
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
268
(11–12
), 1818
–1823
(2010
).26.
H.
Nan
, Z.
Wang
, W.
Wang
, Z.
Liang
, Y.
Lu
, Q.
Chen
, D.
He
, P.
Tan
, F.
Miao
, X.
Wang
, J.
Wang
, and Z.
Ni
, ACS Nano
8
(6
), 5738
–5745
(2014
).27.
Y.
Zhang
, R.
Sachan
, O. H.
Pakarinen
, M. F.
Chisholm
, P.
Liu
, H.
Xue
, and W. J.
Weber
, Nat. Commun.
6
, 8049
(2015
).28.
S.
Zhang
, J.
Liu
, J.
Zeng
, P.
Hu
, K.
Maaz
, L.
Xu
, J.
Duan
, P.
Zhai
, Z.
Li
, and L.
Liu
, J. Phys. D
52
(12
), 125102
(2019
).29.
T.
Yan
, X.
Qiao
, X.
Liu
, P.
Tan
, and X.
Zhang
, Appl. Phys. Lett.
105
(10
), 101901
(2014
).30.
A. M.
Jones
, H.
Yu
, N. J.
Ghimire
, S.
Wu
, G.
Aivazian
, J. S.
Ross
, B.
Zhao
, J.
Yan
, D. G.
Mandrus
, D.
Xiao
, W.
Yao
, and X.
Xu
, Nat. Nanotechnol.
8
(9
), 634
–638
(2013
).31.
E.
Courtade
, M.
Semina
, M.
Manca
, M. M.
Glazov
, C.
Robert
, F.
Cadiz
, G.
Wang
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, M.
Pierre
, W.
Escoffier
, E. L.
Ivchenko
, P.
Renucci
, X.
Marie
, T.
Amand
, and B.
Urbaszek
, Phys. Rev. B
96
(8
), 085302
(2017
).32.
G.
Plechinger
, P.
Nagler
, A.
Arora
, R.
Schmidt
, A.
Chernikov
, A. G.
del Águila
, P. C. M.
Christianen
, R.
Bratschitsch
, C.
Schüller
, and T.
Korn
, Nat. Commun.
7
, 12715
(2016
).33.
P.
Hu
, L.
Xu
, P.
Zhai
, J.
Zeng
, S.
Zhang
, K.
Maaz
, W.
Ai
, Z.
Li
, Y.
Sun
, Y.
He
, and J.
Liu
, J. Raman Spectrosc.
53
, 1003
–1011
(2022
).34.
O. B.
Aslan
, M.
Deng
, and T. F.
Heinz
, Phys. Rev. B
98
(11
), 115308
(2018
).35.
N.
Tang
, C.
Du
, Q.
Wang
, and H.
Xu
, Microelectron. Eng.
223
(15
), 111202
(2020
).36.
Y. L.
Yu
, Y. F.
Yu
, C.
Xu
, A.
Barrette
, K.
Gundogdu
, and L. Y.
Cao
, Phys. Rev. B
93
, 201111(R)
(2016
).37.
R.
Schmidt
, I.
Niehues
, R.
Schneider
, M.
Drüppel
, T.
Deilmann
, M.
Rohlfing
, S. M.
de Vasconcellos
, A.
Castellanos-Gomez
, and R.
Bratschitsch
, 2D Mater.
3
(2
), 021011
(2016
).38.
I.
Niehues
, R.
Schmidt
, M.
Drüppel
, P.
Marauhn
, D.
Christiansen
, M.
Selig
, G.
Berghäuser
, D.
Wigger
, R.
Schneider
, and L.
Braasch
, Nano Lett.
18
(3
), 1751
–1757
(2018
).39.
P. K.
Chow
, R. B.
Jacobs-Gedrim
, J.
Gao
, T.-M.
Lu
, B.
Yu
, H.
Terrones
, and N.
Koratkar
, ACS Nano
9
, 1520
–1527
(2015
).40.
M.
Toulemonde
, C.
Dufour
, Z.
Wang
, and E.
Paumier
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
112
, 26
–29
(1996
).41.
C.
Robert
, T.
Amand
, F.
Cadiz
, D.
Lagarde
, E.
Courtade
, M.
Manca
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, B.
Urbaszek
, and X.
Marie
, Phys. Rev. B
96
(15
), 155423
(2017
).42.
J.
Hegarty
, L.
Goldner
, and M. D.
Sturge
, Phys. Rev. B
30
(12
), 7346
–7348
(1984
).43.
A.
Srivastava
, M.
Sidler
, A. V.
Allain
, D. S.
Lembke
, A.
Kis
, and A.
Imamoğlu
, Nat. Nanotechnol.
10
(6
), 491
–496
(2015
).44.
S.
Kretschmer
, M.
Maslov
, S.
Ghaderzadeh
, M.
Ghorbani-Asl
, G.
Hlawacek
, and A. V.
Krasheninnikov
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 30827
–30836
(2018
).45.
E. A.
Kolesov
, M. S.
Tivanov
, O. V.
Korolik
, P. Y.
Apel
, V. A.
Skuratov
, A.
Saad
, and I. V.
Komissarov
, J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
29
, 3296
–3303
(2018
).46.
S.
Zhao
, J.
Xue
, Y.
Wang
, and S.
Yan
, Nanotechnology
23
, 285703
(2012
).47.
S.
Zhang
, J.
Zeng
, P.
Hu
, L.
Xu
, K.
Maaz
, Z.
Li
, L.
Liu
, P.
Zhai
, W.
Ai
, and J.
Liu
, Mater. Chem. Phys.
277
, 125624
(2022
).48.
G.
Salitra
, G.
Hodes
, E.
Klein
, and R.
Tenne
, Thin Solid Films
245
, 180
–185
(1994
).49.
R.
Zhang
, D.
Drysdale
, V.
Koutsos
, and R.
Cheung
, Adv. Funct. Mater.
27
, 1702455
(2017
).50.
C. D.
Wagner
, D. A.
Zatko
, and R. H.
Raymond
, Anal. Chem.
52
, 1445
–1451
(1980
).51.
M. C.
Peignon
, C.
Cardinaud
, and G.
Turban
, J. Appl. Phys.
70
, 3314
–3323
(1991
).52.
M.
Kumagai
and T.
Takagahara
, Phys. Rev. B
40
(18
), 12359
–12381
(1989
).53.
A.
Chernikov
, T. C.
Berkelbach
, H. M.
Hill
, A.
Rigosi
, Y.
Li
, O. B.
Aslan
, D. R.
Reichman
, M. S.
Hybertsen
, and T. F.
Heinz
, Phys. Rev. Lett.
113
, 076802
(2014
).54.
S.
Latini
, T.
Olsen
, and K. S.
Thygesen
, Phys. Rev. B
92
, 245123
(2015
).55.
C.
Huang
, Y.
Gao
, S.
Wang
, C.
Zhang
, N.
Yi
, S.
Xiao
, and Q.
Song
, Nano Energy
41
, 320
–326
(2017
).56.
S. S.
Nair
, M.
Mathews
, and M. R.
Anantharaman
, Chem. Phys. Lett.
406
, 398
–403
(2005
).57.
F. J.
Crowne
, M.
Amani
, A.
Glen Birdwell
, M. L.
Chin
, T. P.
O'Regan
, S.
Najmaei
, Z.
Liu
, P. M.
Ajayan
, J.
Lou
, and M.
Dubey
, Phys. Rev. B
88
, 235302
(2013
).58.
P.
Steinleitner
, P.
Merkl
, P.
Nagler
, J.
Mornhinweg
, C.
Schüller
, T.
Korn
, A.
Chernikov
, and R.
Huber
, Nano Lett.
17
, 1455
–1460
(2017
).59.
C.
Trovatello
, F.
Katsch
, N. J.
Borys
, M.
Selig
, K.
Yao
, R.
Borrego-Varillas
, F.
Scotognella
, I.
Kriegel
, A.
Yan
, A.
Zettl
, P. J.
Schuck
, A.
Knorr
, G.
Cerullo
, and S.
Dal Conte
, Nat. Commun.
11
(1
), 5277
(2020
).60.
S.
Brem
, M.
Selig
, G.
Berghaeuser
, and E.
Malic
, Sci. Rep.
8
(1
), 8238
(2018
).61.
F.
Ceballos
, Q.
Cui
, M. Z.
Bellus
, and H.
Zhao
, Nanoscale
8
(22
), 11681
–11688
(2016
).62.
T.
Borzda
, C.
Gadermaier
, N.
Vujicic
, P.
Topolovsek
, M.
Borovsak
, T.
Mertelj
, D.
Viola
, C.
Manzoni
, E. A. A.
Pogna
, D.
Brida
, M. R.
Antognazza
, F.
Scotognella
, G.
Lanzani
, G.
Cerullo
, and D.
Mihailovic
, Adv. Funct. Mater.
25
(22
), 3351
–3358
(2015
).63.
C.
Poellmann
, P.
Steinleitner
, U.
Leierseder
, P.
Nagler
, G.
Plechinger
, M.
Porer
, R.
Bratschitsch
, C.
Schüller
, T.
Korn
, and R.
Huber
, Nat. Mater.
14
(9
), 889
–893
(2015
).64.
Y.
Preezant
and N.
Tessler
, J. Appl. Phys.
109
, 013701
(2011
).65.
M. R.
Singh
and J.
Desforges
, Physica E
12
, 327
–330
(2002
).66.
X.
Xing
, L.
Zhao
, Z.
Zhang
, X.
Liu
, K.
Zhang
, Y.
Yu
, X.
Lin
, H.
Chen
, J.
Chen
, and Z.
Jin
, J. Phys. Chem. C
121
, 20451
(2017
).67.
J.
Shi
, J.
Zhu
, X.
Wu
, B.
Zheng
, J.
Chen
, X.
Sui
, S.
Zhang
, J.
Shi
, W.
Du
, Y.
Zhong
, Q.
Wang
, Q.
Zhang
, A.
Pan
, and X.
Liu
, Adv. Opt. Mater.
8
, 2001147
(2020
).68.
G.
Kime
, M. A.
Leontiadou
, J. R.
Brent
, N.
Savjani
, P.
O'Brien
, and D. J.
Binks
, J. Phys. Chem. C
121
, 22415
(2017
).69.
H.
Wang
, C.
Zhang
, and F.
Rana
, Nano Lett.
15
(1
), 339
–345
(2015
).70.
C.
He
, L.
Zhu
, Q.
Zhao
, Y.
Huang
, Z.
Yao
, W.
Du
, Y.
He
, S.
Zhang
, and X.
Xu
, Adv. Opt. Mater.
6
(19
), 1800290
(2018
).71.
N.
Kumar
, Q.
Cui
, F.
Ceballos
, D.
He
, Y.
Wang
, and H.
Zhao
, Phys. Rev. B
89
(12
), 125427
(2014
).72.
C.
Robert
, D.
Lagarde
, F.
Cadiz
, G.
Wang
, B.
Lassagne
, T.
Amand
, A.
Balocchi
, P.
Renucci
, S.
Tongay
, B.
Urbaszek
, and X.
Marie
, Phys. Rev. B
93
(20
), 205423
(2016
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.