Quantum Coherence Facilitates Efficient Charge Separation at a MoS2/MoSe2 van der Waals Junction

Nano Letters

Volumn 16, Issue 3, 2016, Pages 1996-2003

  Long, Run ^a,b   Prezhdo, Oleg V ^c  

^a BEIJING NORMAL UNIVERSITY   (China)

^b UNIVERSITY COLLEGE DUBLIN   (Ireland)

^c UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

charge separation and recombination; MoS2 MoSe2 van der Waals heterojunction; nonadiabatic molecular dynamics; nonradiative relaxation; quantum coherence; time domain density functional theory

Indexed keywords

CHARGE TRANSFER; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRONS; HETEROJUNCTIONS; MOLECULAR DYNAMICS; MOLYBDENUM; MOLYBDENUM COMPOUNDS; QUANTUM THEORY; SEMICONDUCTING SELENIUM COMPOUNDS; TRANSITION METALS; TUNGSTEN; VAN DER WAALS FORCES;

CHARGE SEPARATIONS; NON-RADIATIVE RELAXATION; NONADIABATIC MOLECULAR DYNAMICS; QUANTUM COHERENCE; TIME DOMAIN; VAN DER WAALS;

QUANTUM EFFICIENCY;

EID: 84960484669     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b05264     Document Type: Article

References (84)

1. Lee, C.-H.; Lee, G.-H.; van der Zande, A. M.; Chen, W.; Li, Y.; Han, M.; Cui, X.; Arefe, G.; Nuckolls, C.; Heinz, T. F.; Guo, J.; Hone, J.; Kim, P. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 676-681 10.1038/nnano.2014.150
2. Yu, J. H.; Lee, H. R.; Hong, S. S.; Kong, D.; Lee, H.-W.; Wang, H.; Xiong, F.; Wang, S.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 1031-1035 10.1021/nl503897h
3. Mak, K. F.; Lee, C.; Hone, J.; Shan, J.; Heinz, T. F. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 136805 10.1103/PhysRevLett.105.136805
4. Splendiani, A.; Sun, L.; Zhang, Y.; Li, T.; Kim, J.; Chim, C.-Y.; Galli, G.; Wang, F. Nano Lett. 2010, 10, 1271-1275 10.1021/nl903868w
5. Hill, H. M.; Rigosi, A. F.; Roquelet, C.; Chernikov, A.; Berkelbach, T. C.; Reichman, D. R.; Hybertsen, M. S.; Brus, L. E.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2015, 15, 2992-2997 10.1021/nl504868p
6. Grubišić Čabo, A.; Miwa, J. A.; Grønborg, S. S.; Riley, J. M.; Johannsen, J. C.; Cacho, C.; Alexander, O.; Chapman, R. T.; Springate, E.; Grioni, M.; Lauritsen, J. V.; King, P. D. C.; Hofmann, P.; Ulstrup, S. Nano Lett. 2015, 15, 5883-5887 10.1021/acs.nanolett.5b01967
7. Butun, S.; Tongay, S.; Aydin, K. Nano Lett. 2015, 15, 2700-2704 10.1021/acs.nanolett.5b00407
8. Kos̈mider, K.; Fernández-Rossier, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 87, 075451 10.1103/PhysRevB.87.075451
9. Komsa, H.-P.; Krasheninnikov, A. V. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 88, 085318 10.1103/PhysRevB.88.085318
10. Bernardi, M.; Palummo, M.; Grossman, J. C. Nano Lett. 2013, 13, 3664-3670 10.1021/nl401544y
11. Xiong, F.; Wang, H.; Liu, X.; Sun, J.; Brongersma, M.; Pop, E.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 6777-6784 10.1021/acs.nanolett.5b02619
12. Terrones, H.; López-Urías, F.; Terrones, M. Sci. Rep. 2013, 3, 1549 10.1038/srep01549
13. Kang, J.; Tongay, S.; Zhou, J.; Li, J.; Wu, J. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 012111 10.1063/1.4774090
14. Qiu, D. Y.; da Jornada, F. H.; Louie, S. G. Phys. Rev. Lett. 2013, 111, 216805 10.1103/PhysRevLett.111.216805
15. Komsa, H.-P.; Krasheninnikov, A. V. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012, 86, 241201 10.1103/PhysRevB.86.241201
16. Berkelbach, T. C.; Hybertsen, M. S.; Reichman, D. R. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 88, 045318 10.1103/PhysRevB.88.045318
17. Gong, C.; Zhang, H.; Wang, W.; Colombo, L.; Wallace, R. M.; Cho, K. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 053513 10.1063/1.4817409
18. Chiu, M.-H.; Zhang, C.; Shiu, H.-W.; Chuu, C.-P.; Chen, C.-H.; Chang, C.-Y. S.; Chen, C.-H.; Chou, M.-Y.; Shih, C.-K.; Li, L.-J. Nat. Commun. 2015, 6, 7666 10.1038/ncomms8666
19. Ceballos, F.; Bellus, M. Z.; Chiu, H.-Y.; Zhao, H. ACS Nano 2014, 8, 12717-12724 10.1021/nn505736z
20. Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T.-b.; Duan, H.-S.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542-546 10.1126/science.1254050
21. Fang, H.; Battaglia, C.; Carraro, C.; Nemsak, S.; Ozdol, B.; Kang, J. S.; Bechtel, H. A.; Desai, S. B.; Kronast, F.; Unal, A. A.; Conti, G.; Conlon, C.; Palsson, G. K.; Martin, M. C.; Minor, A. M.; Fadley, C. S.; Yablonovitch, E.; Maboudian, R.; Javey, A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2014, 111, 6198-6202 10.1073/pnas.1405435111
22. Furchi, M. M.; Pospischil, A.; Libisch, F.; Burgdörfer, J.; Mueller, T. Nano Lett. 2014, 14, 4785-4791 10.1021/nl501962c
23. Roy, T.; Tosun, M.; Kang, J. S.; Sachid, A. B.; Desai, S. B.; Hettick, M.; Hu, C. C.; Javey, A. ACS Nano 2014, 8, 6259-6264 10.1021/nn501723y
24. Rivera, P.; Schaibley, J. R.; Jones, A. M.; Ross, J. S.; Wu, S.; Aivazian, G.; Klement, P.; Seyler, K.; Clark, G.; Ghimire, N. J.; Yan, J.; Mandrus, D. G.; Yao, W.; Xu, X. Nat. Commun. 2015, 6, 6242 10.1038/ncomms7242
25. Wang, H.; Zhang, C.; Rana, F. Nano Lett. 2015, 15, 339-345 10.1021/nl503636c
26. Shi, H.; Yan, R.; Bertolazzi, S.; Brivio, J.; Gao, B.; Kis, A.; Jena, D.; Xing, H. G.; Huang, L. ACS Nano 2013, 7, 1072-1080 10.1021/nn303973r
27. Shin, M.; Kim, D.; Lim, D. J. Korean Phys. Soc. 2014, 65, 2077-2081 10.3938/jkps.65.2077
28. Lagarde, D.; Bouet, L.; Marie, X.; Zhu, C. R.; Liu, B. L.; Amand, T.; Tan, P. H.; Urbaszek, B. Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 047401 10.1103/PhysRevLett.112.047401
29. Tully, J. C. J. Chem. Phys. 1990, 93, 1061-1071 10.1063/1.459170
30. Craig, C. F.; Duncan, W. R.; Prezhdo, O. V. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 163001 10.1103/PhysRevLett.95.163001
31. Fischer, S. A.; Habenicht, B. F.; Madrid, A. B.; Duncan, W. R.; Prezhdo, O. V. J. Chem. Phys. 2011, 134, 024102 10.1063/1.3526297
32. Mukamel, S. Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy; Oxford University Press: New York, 1995.
33. Habenicht, B. F.; Prezhdo, O. V. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 197402 10.1103/PhysRevLett.100.197402
34. Chaban, V. V.; Prezhdo, V. V.; Prezhdo, O. V. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1-6 10.1021/jz301878y
35. Long, R.; English, N. J.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14238-14248 10.1021/ja3063953
36. Long, R.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19240-19249 10.1021/ja2085806
37. Long, R.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4343-4354 10.1021/ja5001592
38. Nelson, T. R.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 3702-3710 10.1021/ja400033g
39. Long, R.; English, N. J.; Prezhdo, O. V. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2941-2946 10.1021/jz5013627
40. Nie, Z.; Long, R.; Sun, L.; Huang, C.-C.; Zhang, J.; Xiong, Q.; Hewak, D. W.; Shen, Z.; Prezhdo, O. V.; Loh, Z.-H. ACS Nano 2014, 8, 10931-10940 10.1021/nn504760x
41. Kilina, S. V.; Kilin, D. S.; Prezhdo, O. V. ACS Nano 2009, 3, 93-99 10.1021/nn800674n
42. Akimov, A. V.; Prezhdo, O. V. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 789-804 10.1021/ct400934c
43. Akimov, A. V.; Prezhdo, O. V. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 4959-4972 10.1021/ct400641n
44. Duncan, W. R.; Craig, C. F.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8528-8543 10.1021/ja0707198
45. Rabani, E.; Baer, R.; Neuhauser, D. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2015, 91, 235302 10.1103/PhysRevB.91.235302
46. Attaccalite, C.; Gruning, M.; Marini, A. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011, 84, 245110 10.1103/PhysRevB.84.245110
47. Wang, N. P.; Rohlfing, M.; Kruger, P.; Pollmann, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 71, 235324 10.1103/PhysRevB.71.045407
48. Prezhdo, O. V. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 4413-4417 10.1103/PhysRevLett.85.4413
49. Bray, A. J.; Moore, M. A. Phys. Rev. Lett. 1982, 49, 1545-1549 10.1103/PhysRevLett.49.1545
50. Prezhdo, O. V.; Rossky, P. J. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 5294-5297 10.1103/PhysRevLett.81.5294
51. Maniscalco, S.; Piilo, J.; Suominen, K.-A. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 130402 10.1103/PhysRevLett.97.130402
52. Zhu, X.; Monahan, N. R.; Gong, Z.; Zhu, H.; Williams, K. W.; Nelson, C. A. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8313-8320 10.1021/jacs.5b03141
53. Falke, S. M.; Rozzi, C. A.; Brida, D.; Maiuri, M.; Amato, M.; Sommer, E.; De Sio, A.; Rubio, A.; Cerullo, G.; Molinari, E.; Lienau, C. Science 2014, 344, 1001-1005 10.1126/science.1249771
54. Andrea Rozzi, C.; Maria Falke, S.; Spallanzani, N.; Rubio, A.; Molinari, E.; Brida, D.; Maiuri, M.; Cerullo, G.; Schramm, H.; Christoffers, J.; Lienau, C. Nat. Commun. 2013, 4, 1602 10.1038/ncomms2603
55. Akimov, A. V.; Prezhdo, O. V. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3857-3864 10.1021/jz402035z
56. Chakraborty, B.; Matte, H. S. S. R.; Sood, A. K.; Rao, C. N. R. J. Raman Spectrosc. 2013, 44, 92-96 10.1002/jrs.4147
57. Terrones, H.; Corro, E. D.; Feng, S.; Poumirol, J. M.; Rhodes, D.; Smirnov, D.; Pradhan, N. R.; Lin, Z.; Nguyen, M. A. T.; Elias, A. L.; Mallouk, T. E.; Balicas, L.; Pimenta, M. A.; Terrones, M. Sci. Rep. 2014, 4, 4215 10.1038/srep04215
58. Wieting, T. J.; Verble, J. L. Phys. Rev. B 1971, 3, 4286-4292 10.1103/PhysRevB.3.4286
59. Zhou, K.-G.; Withers, F.; Cao, Y.; Hu, S.; Yu, G.; Casiraghi, C. ACS Nano 2014, 8, 9914-9924 10.1021/nn5042703
60. Wei, H. H.-Y.; Evans, C. M.; Swartz, B. D.; Neukirch, A. J.; Young, J.; Prezhdo, O. V.; Krauss, T. D. Nano Lett. 2012, 12, 4465-4471 10.1021/nl3012962
61. Zhang, X.; Han, W. P.; Wu, J. B.; Milana, S.; Lu, Y.; Li, Q. Q.; Ferrari, A. C.; Tan, P. H. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 87, 115413 10.1103/PhysRevB.87.115413
62. Tongay, S.; Zhou, J.; Ataca, C.; Lo, K.; Matthews, T. S.; Li, J.; Grossman, J. C.; Wu, J. Nano Lett. 2012, 12, 5576-5580 10.1021/nl302584w
63. Shishkin, M.; Kresse, G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006, 74, 035101 10.1103/PhysRevB.74.035101
64. Shishkin, M.; Kresse, G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2007, 75, 235102 10.1103/PhysRevB.75.235102
65. Shishkin, M.; Marsman, M.; Kresse, G. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 246403 10.1103/PhysRevLett.99.246403
66. Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188-5192 10.1103/PhysRevB.13.5188
67. Shi, H.; Pan, H.; Zhang, Y.-W.; Yakobson, B. I. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 87, 155304 10.1103/PhysRevB.87.155304
68. Ugeda, M. M.; Bradley, A. J.; Shi, S.-F.; da Jornada, F. H.; Zhang, Y.; Qiu, D. Y.; Ruan, W.; Mo, S.-K.; Hussain, Z.; Shen, Z.-X.; Wang, F.; Louie, S. G.; Crommie, M. F. Nat. Mater. 2014, 13, 1091-1095 10.1038/nmat4061
69. Huang, C.; Wu, S.; Sanchez, A. M.; Peters, J. J. P.; Beanland, R.; Ross, J. S.; Rivera, P.; Yao, W.; Cobden, D. H.; Xu, X. Nat. Mater. 2014, 13, 1096-1101 10.1038/nmat4064
70. Nayak, A. P.; Pandey, T.; Voiry, D.; Liu, J.; Moran, S. T.; Sharma, A.; Tan, C.; Chen, C.-H.; Li, L.-J.; Chhowalla, M.; Lin, J.-F.; Singh, A. K.; Akinwande, D. Nano Lett. 2015, 15, 346-353 10.1021/nl5036397
71. Wu, K.; Chen, J.; McBride, J. R.; Lian, T. Science 2015, 349, 632-635 10.1126/science.aac5443
72. Long, R.; English, N. J.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14238-14248 10.1021/ja3063953
73. Long, R.; Prezhdo, O. V. Nano Lett. 2014, 14, 3335-3341 10.1021/nl500792a
74. Levi, F.; Mostarda, S.; Rao, F.; Mintert, F. Rep. Prog. Phys. 2015, 78, 082001 10.1088/0034-4885/78/8/082001
75. Tiwari, V.; Peters, W. K.; Jonas, D. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 1203-1208 10.1073/pnas.1211157110
76. Cassette, E.; Pensack, R. D.; Mahler, B.; Scholes, G. D. Nat. Commun. 2015, 6, 6086 10.1038/ncomms7086
77. Song, Y.; Clafton, S. N.; Pensack, R. D.; Kee, T. W.; Scholes, G. D. Nat. Commun. 2014, 5, 4933 10.1038/ncomms5933
78. Rebentrost, P.; Mohseni, M.; Aspuru-Guzik, A. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 9942-9947 10.1021/jp901724d
79. Engel, G. S.; Calhoun, T. R.; Read, E. L.; Ahn, T.-K.; Mancal, T.; Cheng, Y.-C.; Blankenship, R. E.; Fleming, G. R. Nature 2007, 446, 782-786 10.1038/nature05678
80. Sarovar, M.; Ishizaki, A.; Fleming, G. R.; Whaley, K. B. Nat. Phys. 2010, 6, 462-467 10.1038/nphys1652
81. Lee, J.-S.; Kovalenko, M. V.; Huang, J.; Chung, D. S.; Talapin, D. V. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 348-352 10.1038/nnano.2011.46
82. Hildner, R.; Brinks, D.; Nieder, J. B.; Cogdell, R. J.; van Hulst, N. F. Science 2013, 340, 1448-1451 10.1126/science.1235820
83. Collini, E.; Scholes, G. D. Science 2009, 323, 369-373 10.1126/science.1164016
84. Scholes, G. D. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2-8 10.1021/jz900062f