Semiconductors play a critical role in optoelectronic applications, and recent research has identified group-VI 2D semiconductors as promising materials for this purpose. Here, we report the comprehensive excited state carrier dynamics of bilayer, two-dimensional (2D) selenium (Se) in one-photon and multi-photon absorption regimes using transient reflection (TR) spectroscopy. Carrier lifetime obtained from TR measurement is used to theoretically predict the photo-responsivity for 2D Se photo-detectors operating in the one-photon-absorption regime. We also calculate a giant two-photon absorption cross section of 2.9 × 10 5 GM at 750 nm hinting possible application of 2D Se as a sub-bandgap photo-detector. The carrier recombination process is dominated by surface and sub-surface defect states in one- and multi-photon absorption regimes, respectively, resulting nearly one order increased carrier lifetime in a three-photon-absorption regime (1700 ps) compared to a one-photon-absorption regime (103 ps). Femtosecond Z-scan measurement shows saturation behavior for above bandgap excitation, further indicating the possibility of 2D Se as a saturable absorber material for passive Q-switching. Our study provides comprehensive insight into the excited state carrier dynamics of bilayer 2D Se and highlights its potential as a versatile material for various linear and non-linear optoelectronic applications.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
A. J.
Mannix
,
B.
Kiraly
,
M. C.
Hersam
, and
N. P.
Guisinger
,
Nat. Rev. Chem.
1
,
0014
(
2017
).
3.
N. R.
Glavin
,
R.
Rao
,
V.
Varshney
,
E.
Bianco
,
A.
Apte
,
A.
Roy
,
E.
Ringe
, and
P. M.
Ajayan
,
Adv. Mater.
32
,
1904302
(
2020
).
4.
Q.
Ma
,
G.
Ren
,
K.
Xu
, and
J. Z.
Ou
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2001313
(
2021
).
5.
Z.
Lin
,
C.
Wang
, and
Y.
Chai
,
Small
16
,
2002426
(
2020
).
6.
Z.
Shi
,
R.
Cao
,
K.
Khan
,
A. K.
Tareen
,
X.
Liu
,
W.
Liang
,
Y.
Zhang
,
C.
Ma
,
Z.
Guo
,
X.
Luo
, and
H.
Zhang
,
Nano-Micro Lett.
12
,
99
(
2020
).
7.
D. K.
Sang
,
B.
Wen
,
S.
Gao
,
Y.
Zeng
,
F.
Meng
,
Z.
Guo
, and
H.
Zhang
,
Nanomaterials
9
,
1075
(
2019
).
8.
Z.
Yan
,
H.
Yang
,
Z.
Yang
,
C.
Ji
,
G.
Zhang
,
Y.
Tu
,
G.
Du
,
S.
Cai
, and
S.
Lin
,
Small
18
,
2200016
(
2022
).
9.
Y.
Wang
,
G.
Qiu
,
R.
Wang
,
S.
Huang
,
Q.
Wang
,
Y.
Liu
,
Y.
Du
,
W. A.
Goddard
,
M. J.
Kim
,
X.
Xu
,
P. D.
Ye
, and
W.
Wu
,
Nat. Electron.
1
,
228
(
2018
).
10.
C.
Xing
,
Z.
Xie
,
Z.
Liang
,
W.
Liang
,
T.
Fan
,
J. S.
Ponraj
,
S. C.
Dhanabalan
,
D.
Fan
, and
H.
Zhang
,
Adv. Opt. Mater.
5
,
1700884
(
2017
).
11.
P. V.
Sarma
,
R.
Nadarajan
,
R.
Kumar
,
R. M.
Patinharayil
,
N.
Biju
,
S.
Narayanan
,
G.
Gao
,
C. S.
Tiwary
,
M.
Thalakulam
,
R. N.
Kini
,
A. K.
Singh
,
P. M.
Ajayan
, and
M. M.
Shaijumon
,
2D Mater.
9
,
045004
(
2022
).
12.
M.
Zhu
,
F.
Hao
,
L.
Ma
,
T. B.
Song
,
C. E.
Miller
,
M. R.
Wasielewski
,
X.
Li
, and
M. G.
Kanatzidis
,
ACS Energy Lett.
1
,
469
(
2016
).
13.
D.
Wang
,
L. M.
Tang
,
X. X.
Jiang
,
J. Y.
Tan
,
M. D.
He
,
X. J.
Wang
, and
K. Q.
Chen
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1800475
(
2019
).
14.
J. K.
Qin
,
G.
Qiu
,
W.
He
,
J.
Jian
,
M. W.
Si
,
Y. Q.
Duan
,
A.
Charnas
,
D. Y.
Zemlyanov
,
H. Y.
Wang
,
W. Z.
Shao
,
L.
Zhen
,
C. Y.
Xu
, and
P. D.
Ye
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1806254
(
2018
).
15.
C.
Liu
,
T.
Hu
,
Y.
Wu
,
H.
Gao
,
Y.
Yang
, and
W.
Ren
,
J. Phys. Condens. Matter
31
,
235702
(
2019
).
16.
T.
Fan
,
Z.
Xie
,
W.
Huang
,
Z.
Li
, and
H.
Zhang
,
Nanotechnology
30
,
114002
(
2019
).
17.
J.
Qin
,
G.
Qiu
,
J.
Jian
,
H.
Zhou
,
L.
Yang
,
A.
Charnas
,
D. Y.
Zemlyanov
,
C. Y.
Xu
,
X.
Xu
,
W.
Wu
,
H.
Wang
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
11
,
10222
(
2017
).
18.
W.
Wang
,
N.
Sui
,
Z.
Kang
,
Q.
Zhou
,
L.
Li
,
X.
Chi
,
H.
Zhang
,
X.
He
,
B.
Zhao
, and
Y.
Wang
,
Opt. Express
29
,
7736
(
2021
).
19.
J.
Fu
,
Q.
Xu
,
G.
Han
,
B.
Wu
,
C. H. A.
Huan
,
M. L.
Leek
, and
T. C.
Sum
,
Nat. Commun.
8
,
1300
(
2017
).
20.
C. E.
Petoukhoff
,
S.
Kosar
,
M.
Goto
,
I.
Bozkurt
,
M.
Manish
, and
K. M.
Dani
,
Mol. Syst. Des. Eng.
4
,
929
(
2019
).
21.
J.
Cho
,
J. T.
DuBose
, and
P. V.
Kamat
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
2570
(
2020
).
22.
C. M.
Wolff
,
S. A.
Bourelle
,
L. Q.
Phuong
,
J.
Kurpiers
,
S.
Feldmann
,
P.
Caprioglio
,
J. A.
Marquez
,
J.
Wolansky
,
T.
Unold
,
M.
Stolterfoht
,
S.
Shoaee
,
F.
Deschler
, and
D.
Neher
,
Adv. Energy Mater.
11
,
2101823
(
2021
).
23.
H.
Yang
,
X.
Feng
,
Q.
Wang
,
H.
Huang
,
W.
Chen
,
A. T. S.
Wee
, and
W.
Ji
,
Nano Lett.
11
,
2622
(
2011
).
24.
S.
Zhang
,
N.
Dong
,
N.
McEvoy
,
M.
O'Brien
,
S.
Winters
,
N. C.
Berner
,
C.
Yim
,
Y.
Li
,
X.
Zhang
,
Z.
Chen
,
L.
Zhang
,
G. S.
Duesberg
, and
J.
Wang
,
ACS Nano
9
,
7142
(
2015
).
25.
Y.
Li
,
N.
Dong
,
S.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Feng
,
K.
Wang
,
L.
Zhang
, and
J.
Wang
,
Laser Photonics Rev.
9
,
427
(
2015
).
26.
W.
Liu
,
J.
Xing
,
J.
Zhao
,
X.
Wen
,
K.
Wang
,
P.
Lu
, and
Q.
Xiong
,
Adv. Opt. Mater.
5
,
1601045
(
2017
).
27.
J.
Wang
,
Y.
Mi
,
X.
Gao
,
J.
Li
,
J.
Li
,
S.
Lan
,
C.
Fang
,
H.
Shen
,
X.
Wen
,
R.
Chen
,
X.
Liu
,
T.
He
, and
D.
Li
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1900398
(
2019
).
28.
F.
Zhou
,
I.
Abdelwahab
,
K.
Leng
,
K. P.
Loh
, and
W.
Ji
,
Adv. Mater.
31
,
1904155
(
2019
).
29.
B.
Wu
,
H. T.
Nguyen
,
Z.
Ku
,
G.
Han
,
D.
Giovanni
,
N.
Mathews
,
H. J.
Fan
, and
T. C.
Sum
,
Adv. Energy Mater.
6
,
1600551
(
2016
).
30.
K.
Xu
,
J. Opt.
20
,
024014
(
2018
).
31.
J.
Olesiak-Banska
,
M.
Waszkielewicz
,
K.
Matczyszyn
, and
M.
Samoc
,
RSC Adv.
6
,
98748
(
2016
).
32.
A.
Gaur
,
H.
Syed
,
B.
Yendeti
, and
V. R.
Soma
,
J. Opt. Soc. Am. B
35
,
2906
(
2018
).
33.
S. K.
Patra
,
B. K.
Dadhich
,
B.
Bhushan
,
R. K.
Choubey
, and
A.
Priyam
,
ACS Omega
6
,
31375
(
2021
).
34.
J.
Moreno
,
A. L.
Dobryakov
,
I. N.
Ioffe
,
A. A.
Granovsky
,
S.
Hecht
, and
S. A.
Kovalenko
,
J. Chem. Phys.
143
,
024311
(
2015
).
35.
Y. D.
Glinka
,
T.
He
, and
X. W.
Sun
,
J. Phys.: Condens. Matter
34
,
465301
(
2022
).
36.
A.
Iagatti
,
B.
Shao
,
A.
Credi
,
B.
Ventura
,
I.
Aprahamian
, and
M.
Di Donato
,
Beilstein J. Org. Chem.
15
,
2438
(
2019
).
37.
A.
Alo
,
L. W. T.
Barros
,
G.
Nagamine
,
L. B.
Vieira
,
J. H.
Chang
,
B. G.
Jeong
,
W. K.
Bae
, and
L. A.
Padilha
,
ACS Photonics
7
,
1806
(
2020
).
38.
X.
Jiang
,
W.
Huang
,
R.
Wang
,
H.
Li
,
X.
Xia
,
X.
Zhao
,
L.
Hu
,
T.
Chen
,
Y.
Tang
, and
H.
Zhang
,
Nanoscale
12
,
11232
(
2020
).
39.
K. K.
Chauhan
,
S.
Prodhan
,
D.
Ghosh
,
P.
Waghale
,
S.
Bhattacharyya
,
P. K.
Dutta
, and
P. K.
Datta
,
IEEE J. Photovoltaics
10
,
803
(
2020
).
40.
A.
Ghosh
,
D. K.
Chaudhary
,
A.
Mandal
,
S.
Prodhan
,
K. K.
Chauhan
,
S.
Vihari
,
G.
Gupta
,
P. K.
Datta
, and
S.
Bhattacharyya
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
591
(
2020
).
41.
S.
Bhattacharya
,
A.
Ghorai
,
S.
Raval
,
M.
Karmakar
,
A.
Midya
,
S. K.
Ray
, and
P. K.
Datta
,
Carbon N. Y.
134
,
80
(
2018
).
42.
M.
Karmakar
,
S.
Bhattacharya
,
S.
Mukherjee
,
B.
Ghosh
,
R. K.
Chowdhury
,
A.
Agarwal
,
S. K.
Ray
,
D.
Chanda
, and
P. K.
Datta
,
Phys. Rev. B
103
,
075437
(
2021
).
43.
M.
Karmakar
,
S.
Mukherjee
,
S. K.
Ray
, and
P. K.
Datta
,
Phys. Rev. B
104
,
075446
(
2021
).
44.
K. K.
Chauhan
,
S.
Prodhan
,
S.
Bhattacharyya
,
P. K.
Dutta
, and
P. K.
Datta
,
IEEE J. Quantum Electron.
57
,
4800108
(
2020
).
45.
S.
Prodhan
,
K. K.
Chauhan
,
M.
Karmakar
,
A.
Ghosh
,
S.
Bhattacharyya
, and
P. K.
Datta
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
55
,
014002
(
2022
).
46.
M.
Karmakar
,
P.
Kumbhakar
,
T.
Singha
,
C. S.
Tiwary
,
D.
Chanda
, and
P. K.
Datta
,
Phys. Rev. B
107
,
075429
(
2023
).
47.
K. F.
Mak
,
M. Y.
Sfeir
,
Y.
Wu
,
C. H.
Lui
,
J. A.
Misewich
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
196405
(
2008
).
48.
L.
Gao
,
R.
Lemarchand
, and
M.
Lequime
,
J. Eur. Opt. Soc.
8
,
13010
(
2013
).
49.
J. P.
Perdew
,
Int. J. Quantum Chem.
28
,
497
(
2009
).
50.
K.
Xu
,
J. Micromech. Microeng.
31
,
054001
(
2021
).
51.
Y.
Yang
,
D. P.
Ostrowski
,
R. M.
France
,
K.
Zhu
,
J.
van de Lagemaat
,
J. M.
Luther
, and
M. C.
Beard
,
Nat. Photonics
10
,
53
(
2016
).
52.
M. L.
Benkhedir
,
M. S.
Aida
, and
G. J.
Adriaenssens
,
J. Non. Cryst. Solids
344
,
193
(
2004
).
53.
S.
Imura
,
K.
Mineo
,
K.
Miyakawa
,
M.
Kubota
, and
M.
Nanba
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
252103
(
2020
).
54.
H.
Shi
,
R.
Yan
,
S.
Bertolazzi
,
J.
Brivio
,
B.
Gao
,
A.
Kis
,
D.
Jena
,
H. G.
Xing
, and
L.
Huang
,
ACS Nano
7
,
1072
(
2013
).
55.
S. H.
Aleithan
,
M. Y.
Livshits
,
S.
Khadka
,
J. J.
Rack
,
M. E.
Kordesch
, and
E.
Stinaff
,
Phys. Rev. B
94
,
035445
(
2016
).
56.
C.
Ruppert
,
A.
Chernikov
,
H. M.
Hill
,
A. F.
Rigosi
, and
T. F.
Heinz
,
Nano Lett.
17
,
644
(
2017
).
57.
K. H.
Wei
,
B. J.
Chen
,
L. B.
Zhang
,
H. R.
Zhu
, and
S. H.
Fan
,
Laser Phys. Lett.
19
,
056003
(
2022
).
58.
A.
Pramanik
,
K.
Gates
,
Y.
Gao
,
S.
Begum
, and
P.
Chandra Ray
,
J. Phys. Chem. C
123
,
5150
(
2019
).
59.
J.
Chen
,
K.
Žídek
,
P.
Chábera
,
D.
Liu
,
P.
Cheng
,
L.
Nuuttila
,
M. J.
Al-Marri
,
H.
Lehtivuori
,
M. E.
Messing
,
K.
Han
,
K.
Zheng
, and
T.
Pullerits
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
2316
(
2017
).
60.
Y.
Xin
,
J.
Yuan
,
Y.
Liu
,
Z.
Zhao
,
B.
Du
,
F.
Xing
, and
F.
Zhang
,
ACS Appl. Nano Mater.
5
,
8080
(
2022
).
61.
F.
Zhang
,
G.
Liu
,
J.
Yuan
,
Z.
Wang
,
T.
Tang
,
S.
Fu
,
H.
Zhang
,
Z.
Man
,
F.
Xing
, and
X.
Xu
,
Nanoscale
12
,
6243
(
2020
).
62.
F.
Zhang
,
G.
Liu
,
Z.
Wang
,
T.
Tang
,
X.
Wang
,
C.
Wang
,
S.
Fu
,
F.
Xing
,
K.
Han
, and
X.
Xu
,
Nanoscale
11
,
17058
(
2019
).
63.
R.
Scott
,
A. W.
Achtstein
,
A.
Prudnikau
,
A.
Antanovich
,
S.
Christodoulou
,
I.
Moreels
,
M.
Artemyev
, and
U.
Woggon
,
Nano Lett.
15
,
4985
(
2015
).
64.
G.
Walters
,
B. R.
Sutherland
,
S.
Hoogland
,
D.
Shi
,
R.
Comin
,
D. P.
Sellan
,
O. M.
Bakr
, and
E. H.
Sargent
,
ACS Nano
9
,
9340
(
2015
).
65.
M.
Adnan
and
G. V.
Prakash
,
J. Phys. Chem. C
125
,
12166
(
2021
).
66.
D.
Dini
,
R.
Köhler
,
A.
Tredicucci
,
G.
Biasiol
, and
L.
Sorba
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
116401
(
2003
).
67.
H.
Wang
,
C.
Zhang
, and
F.
Rana
,
Nano Lett.
15
,
8204
(
2015
).
68.
X.
Huang
,
X. H.
Zhang
,
Y. G.
Zhu
,
T.
Li
,
L. F.
Han
,
X. J.
Shang
,
H. Q.
Ni
, and
Z. C.
Niu
,
Opt. Commun.
283
,
1510
(
2010
).
69.
M. E.
Maldonado
,
A.
Das
,
A. M.
Jawaid
,
A. J.
Ritter
,
R. A.
Vaia
,
D. A.
Nagaoka
,
P. G.
Vianna
,
L.
Seixas
,
C. J. S.
de Matos
,
A.
Baev
,
P. N.
Prasad
, and
A. S. L.
Gomes
,
ACS Photonics
7
,
3440
(
2020
).
70.
T.
Singha
,
M.
Karmakar
,
P.
Kumbhakar
,
C. S.
Tiwary
, and
P. K.
Datta
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
021101
(
2022
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.