Ons gebruik tyd- en hoek-opgeloste foto-emissiespektroskopie (tr-ARPES) om ultravinnige ladingoordrag in 'n epitaksiale heterostruktuur gemaak van monolaag WS2 en grafeen te ondersoek. Hierdie heterostruktuur kombineer die voordele van 'n direkte-gaping halfgeleier met 'n sterk spin-baan koppeling en sterk lig-materie interaksie met dié van 'n halfmetaal huisves massalose draers met uiters hoë mobiliteit en lang spin leeftyd. Ons vind dat, na foto-opwekking by resonansie tot die A-opwekking in WS2, die foto-opgewekte gate vinnig oorgedra word na die grafeenlaag terwyl die foto-opgewekte elektrone in die WS2-laag bly. Die gevolglike lading-geskeide verbygaande toestand het 'n leeftyd van ~1 ps. Ons skryf ons bevindinge toe aan verskille in verstrooiingsfaseruimte wat veroorsaak word deur die relatiewe belyning van WS2 en grafeenbande soos geopenbaar deur hoë-resolusie ARPES. In kombinasie met spin-selektiewe optiese opwekking, kan die ondersoekde WS2/grafeen heterostruktuur 'n platform bied vir doeltreffende optiese spin inspuiting in grafeen.
Die beskikbaarheid van baie verskillende tweedimensionele materiale het die moontlikheid oopgemaak om nuwe uiteindelik dun heterostrukture te skep met heeltemal nuwe funksionaliteite gebaseer op pasgemaakte diëlektriese sifting en verskeie nabyheid-geïnduseerde effekte (1-3). Bewys-van-beginsel toestelle vir toekomstige toepassings op die gebied van elektronika en opto-elektronika is gerealiseer (4–6).
Hier fokus ons op epitaksiale van der Waals heterostrukture wat bestaan uit monolaag WS2, 'n direkte-gaping halfgeleier met sterk spin-baan koppeling en 'n aansienlike spin splitsing van die band struktuur as gevolg van gebroke inversie simmetrie (7), en monolaag grafeen, 'n halfmetaal met koniese bandstruktuur en uiters hoë draermobiliteit (8), gegroei op waterstof-getermineerde SiC(0001). Eerste aanduidings vir ultravinnige ladingoordrag (9-15) en nabyheid-geïnduseerde spin-baan-koppelingseffekte (16-18) maak WS2/grafeen en soortgelyke heterostrukture belowende kandidate vir toekomstige opto-elektroniese (19) en optospintroniese (20) toepassings.
Ons stel voor om die ontspanningsweë van fotogegenereerde elektron-gatpare in WS2/grafeen te openbaar met tyd- en hoek-opgeloste foto-emissiespektroskopie (tr-ARPES). Vir daardie doel stimuleer ons die heterostruktuur met 2-eV-pomppulse wat resonant is met die A-eksiton in WS2 (21, 12) en stoot foto-elektrone uit met 'n tweede tyd-vertraagde sondepuls by 26-eV fotonenergie. Ons bepaal kinetiese energie en emissiehoek van die foto-elektrone met 'n hemisferiese ontleder as 'n funksie van pomp-sonde vertraging om toegang te kry tot die momentum-, energie- en tyd-opgeloste draerdinamika. Die energie- en tydresolusie is onderskeidelik 240 meV en 200 fs.
Ons resultate verskaf direkte bewyse vir ultravinnige ladingoordrag tussen die epitaksiaal-belynde lae, wat eerste aanduidings bevestig wat gebaseer is op alle optiese tegnieke in soortgelyke handsaamgestelde heterostrukture met arbitrêre asimutale belyning van die lae (9-15). Daarbenewens wys ons dat hierdie heffingsoordrag hoogs asimmetries is. Ons metings onthul 'n voorheen onwaargeneemde lading-geskeide verbygaande toestand met foto-opgewekte elektrone en gate wat onderskeidelik in die WS2 en grafeenlaag geleë is, wat vir ~1 ps leef. Ons interpreteer ons bevindinge in terme van verskille in verstrooiingsfaseruimte vir elektron- en gatoordrag wat veroorsaak word deur die relatiewe belyning van WS2 en grafeenbande soos geopenbaar deur hoë-resolusie ARPES. Gekombineer met spin- en vallei-selektiewe optiese opwekking (22-25) kan WS2/grafeen heterostrukture 'n nuwe platform bied vir doeltreffende ultravinnige optiese spin-inspuiting in grafeen.
Figuur 1A toon 'n hoë-resolusie ARPES meting verkry met 'n heliumlamp van die bandstruktuur langs die ΓK-rigting van die epitaksiale WS2/grafeen heterostruktuur. Daar word gevind dat die Dirac-kegel gat-gedoteer is met die Dirac-punt ~0.3 eV bokant die ewewig chemiese potensiaal geleë. Daar word gevind dat die bokant van die spin-gesplete WS2 valensband ~1.2 eV onder die ewewig chemiese potensiaal is.
(A) Ekwilibrium fotostroom gemeet langs die ΓK-rigting met 'n ongepolariseerde heliumlamp. (B) Fotostroom vir negatiewe pomp-sonde vertraging gemeet met p-gepolariseerde ekstreme ultraviolet pulse by 26-eV foton energie. Gestreepte grys en rooi lyne merk die posisie van die lynprofiele wat gebruik word om die verbygaande piekposisies in Fig. 2 te onttrek. (C) Pomp-geïnduseerde veranderinge van die fotostroom 200 fs na foto-opwekking by 'n pompfotonenergie van 2 eV met 'n pompfluensie van 2 mJ/cm2. Toename en verlies van foto-elektrone word onderskeidelik in rooi en blou getoon. Die blokkies dui die area van integrasie vir die pomp-sonde spore aan wat in Fig. 3 vertoon word.
Figuur 1B toon 'n tr-ARPES momentopname van die bandstruktuur naby die WS2 en grafeen K-punte gemeet met 100-fs ekstreme ultraviolet pulse by 26-eV foton energie by negatiewe pomp-sonde vertraging voor die aankoms van die pomp pols. Hier word die spin-splitsing nie opgelos nie as gevolg van monsterdegradasie en die teenwoordigheid van die 2-eV-pomppuls wat ruimteladingverbreding van die spektrale kenmerke veroorsaak. Figuur 1C toon die pomp-geïnduseerde veranderinge van die fotostroom met betrekking tot Fig. 1B by 'n pomp-sonde vertraging van 200 fs waar die pomp-sonde sein sy maksimum bereik. Rooi en blou kleure dui onderskeidelik aanwins en verlies van foto-elektrone aan.
Om hierdie ryk dinamika in meer detail te ontleed, bepaal ons eers die verbygaande piekposisies van die WS2 valensieband en die grafeen π-band langs die stippellyne in Fig. 1B soos in detail in die Aanvullende Materiale verduidelik word. Ons vind dat die WS2 valensband opskuif met 90 meV (Fig. 2A) en die grafeen π-band skuif af met 50 meV (Figuur 2B). Die eksponensiële leeftyd van hierdie verskuiwings word gevind as 1.2 ± 0.1 ps vir die valensband van WS2 en 1.7 ± 0.3 ps vir die grafeen π-band. Hierdie piekverskuiwings verskaf eerste bewyse van 'n verbygaande laai van die twee lae, waar bykomende positiewe (negatiewe) lading die bindingsenergie van die elektroniese toestande verhoog (verminder). Let daarop dat die opskuif van die WS2 valensieband verantwoordelik is vir die prominente pomp-sonde sein in die area gemerk deur die swart boks in Fig. 1C.
Verandering in piekposisie van die WS2 valensband (A) en grafeen π-band (B) as 'n funksie van pomp-sonde vertraging tesame met eksponensiële passings (dik lyne). Die leeftyd van die WS2-skuif in (A) is 1.2 ± 0.1 ps. Die leeftyd van die grafeenverskuiwing in (B) is 1.7 ± 0.3 ps.
Vervolgens integreer ons die pomp-sonde sein oor die areas wat deur die gekleurde blokkies in Fig. 1C aangedui word en teken die resulterende tellings as 'n funksie van pomp-sonde vertraging in Fig. 3. Kromme 1 in Fig. 3 toon die dinamika van die foto-opgewekte draers naby die onderkant van die geleidingsband van die WS2-laag met 'n leeftyd van 1.1 ± 0.1 ps verkry vanaf 'n eksponensiële passing by die data (sien die aanvullende materiaal).
Pomp-sonde spore as 'n funksie van vertraging verkry deur die integrasie van die fotostroom oor die area aangedui deur die blokkies in Fig. 1C. Die dik lyne is eksponensiële passings by die data. Kromme (1) Verbygaande draerpopulasie in die geleidingsband van WS2. Kromme (2) Pomp-sonde sein van die π-band van grafeen bokant die ewewig chemiese potensiaal. Kromme (3) Pomp-sonde sein van die π-band van grafeen onder die ewewig chemiese potensiaal. Kromme (4) Netto pomp-sonde sein in die valensband van WS2. Die lewenstye word gevind as 1.2 ± 0.1 ps in (1), 180 ± 20 fs (wins) en ~2 ps (verlies) in (2), en 1.8 ± 0.2 ps in (3).
In krommes 2 en 3 van Fig. 3 wys ons die pomp-sonde sein van die grafeen π-band. Ons vind dat die wins van elektrone bo die ewewig chemiese potensiaal (kurwe 2 in Fig. 3) 'n baie korter leeftyd (180 ± 20 fs) het in vergelyking met die verlies van elektrone onder die ewewig chemiese potensiaal (1.8 ± 0.2 ps in kromme 3) Fig. 3). Verder word gevind dat die aanvanklike wins van die fotostroom in kromme 2 van Fig. 3 in verlies verander by t = 400 fs met 'n leeftyd van ~2 ps. Daar word gevind dat die asimmetrie tussen wins en verlies afwesig is in die pomp-sonde sein van onbedekte monolaag grafeen (sien fig. S5 in die Supplementary Materials), wat aandui dat die asimmetrie 'n gevolg is van tussenlaag koppeling in die WS2/grafeen heterostruktuur. Die waarneming van 'n kortstondige wins en langlewende verlies onderskeidelik bo en onder die ewewig chemiese potensiaal, dui aan dat elektrone doeltreffend van die grafeenlaag verwyder word met foto-opwekking van die heterostruktuur. As gevolg hiervan word die grafeenlaag positief gelaai, wat ooreenstem met die toename in bindingsenergie van die π-band wat in Fig. 2B gevind word. Die afskuif van die π-band verwyder die hoë-energie stert van die ewewig Fermi-Dirac verspreiding van bo die ewewig chemiese potensiaal, wat deels die verandering van teken van die pomp-sonde sein in kromme 2 van Fig. 3 verduidelik. wys hieronder dat hierdie effek verder versterk word deur die verbygaande verlies van elektrone in die π-band.
Hierdie scenario word ondersteun deur die netto pomp-sonde sein van die WS2 valensband in kromme 4 van Fig. 3. Hierdie data is verkry deur die tellings te integreer oor die area gegee deur die swart boks in Fig. die valensband by alle pomp-sonde vertragings. Binne die eksperimentele foutstawe vind ons geen aanduiding vir die teenwoordigheid van gate in die valensband van WS2 vir enige pomp-sonde vertraging nie. Dit dui daarop dat, na foto-opwekking, hierdie gate vinnig hervul word op 'n tydskaal wat kort is in vergelyking met ons tydelike resolusie.
Om finale bewys te verskaf vir ons hipotese van ultravinnige ladingskeiding in die WS2/grafeen heterostruktuur, bepaal ons die aantal gate wat na die grafeenlaag oorgedra word soos in detail beskryf in die Aanvullende Materiale. Kortom, die verbygaande elektroniese verspreiding van die π-band was toegerus met 'n Fermi-Dirac verspreiding. Die aantal gate is dan bereken uit die gevolglike waardes vir die verbygaande chemiese potensiaal en elektroniese temperatuur. Die resultaat word in Fig. 4 getoon. Ons vind dat 'n totale aantal ~5 × 1012 gate/cm2 van WS2 na grafeen oorgedra word met 'n eksponensiële leeftyd van 1.5 ± 0.2 ps.
Verandering van die aantal gate in die π-band as 'n funksie van pomp-sonde vertraging tesame met eksponensiële passing wat 'n leeftyd van 1.5 ± 0.2 ps lewer.
Uit die bevindinge in Fig. 2 tot 4, kom die volgende mikroskopiese prentjie vir die ultravinnige ladingoordrag in die WS2/grafeen heterostruktuur na vore (Fig. 5). Fotoopwekking van die WS2/grafeen heterostruktuur by 2 eV bevolk die A-opwekking in WS2 dominant (Fig. 5A). Bykomende elektroniese opwekkings oor die Dirac-punt in grafeen sowel as tussen WS2 en grafeenbande is energiek moontlik, maar aansienlik minder doeltreffend. Die foto-opgewekte gate in die valensband van WS2 word hervul deur elektrone wat afkomstig is van die grafeen π-band op 'n tydskaal kort in vergelyking met ons tydelike resolusie (Fig. 5A). Die foto-opgewekte elektrone in die geleidingsband van WS2 het 'n leeftyd van ~1 ps (Fig. 5B). Dit neem egter ~2 ps om die gate in die grafeen π-band te hervul (Fig. 5B). Dit dui daarop dat, afgesien van direkte elektronoordrag tussen die WS2-geleidingsband en die grafeen π-band, addisionele ontspanningsweë - moontlik via defektoestande (26) - oorweeg moet word om die volle dinamika te verstaan.
(A) Foto-opwekking by resonansie na die WS2 A-opwekking by 2 eV spuit elektrone in die geleidingsband van WS2. Die ooreenstemmende gate in die valensband van WS2 word onmiddellik hervul deur elektrone van die grafeen π-band. (B) Die foto-opgewekte draers in die geleidingsband van WS2 het 'n leeftyd van ~1 ps. Die gate in die grafeen π-band leef vir ~2 ps, wat die belangrikheid van bykomende verstrooiingskanale aandui wat deur stippelpyle aangedui word. Swart stippellyne in (A) en (B) dui bandverskuiwings en veranderinge in chemiese potensiaal aan. (C) In die verbygaande toestand is die WS2-laag negatief gelaai terwyl die grafeenlaag positief gelaai is. Vir spin-selektiewe opwekking met sirkelvormige gepolariseerde lig, word verwag dat die foto-opgewekte elektrone in WS2 en die ooreenstemmende gate in grafeen teenoorgestelde spinpolarisasie sal toon.
In die verbygaande toestand, woon die foto-opgewekte elektrone in die geleidingsband van WS2 terwyl die foto-opgewekte gate in die π-band van grafeen geleë is (Fig. 5C). Dit beteken dat die WS2-laag negatief gelaai is en die grafeenlaag positief gelaai is. Dit is verantwoordelik vir die verbygaande piekverskuiwings (Fig. 2), die asimmetrie van die grafeenpomp-sondesein (kurwes 2 en 3 van Fig. 3), die afwesigheid van gate in die valensband van WS2 (kurwe 4 Fig. 3). , sowel as die bykomende gate in die grafeen π-band (Fig. 4). Die leeftyd van hierdie lading-geskeide toestand is ~1 ps (kurwe 1 Fig. 3).
Soortgelyke lading-geskeide verbygaande toestande is waargeneem in verwante van der Waals heterostrukture gemaak uit twee direkte-gaping halfgeleiers met tipe II band belyning en verspringende bandgaping (27-32). Na foto-opwekking is gevind dat die elektrone en gate onderskeidelik vinnig na die onderkant van die geleidingsband en na die bokant van die valensband beweeg, wat in verskillende lae van die heterostruktuur geleë is (27-32).
In die geval van ons WS2/grafeen heterostruktuur, is die energeties mees gunstige ligging vir beide elektrone en gate op die Fermi vlak in die metaal grafeen laag. Daarom sou 'n mens verwag dat beide elektrone en gate vinnig oorgedra word na die grafeen π-band. Ons metings toon egter duidelik dat gatoordrag (<200 fs) baie meer doeltreffend is as elektronoordrag (~1 ps). Ons skryf dit toe aan die relatiewe energieke belyning van die WS2 en die grafeenbande soos geopenbaar in Fig. 1A wat 'n groter aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag bied in vergelyking met elektronoordrag soos onlangs verwag is deur (14, 15). In die huidige geval, met die veronderstelling van 'n ~2 eV WS2 bandgaping, is die grafeen Dirac punt en ewewig chemiese potensiaal onderskeidelik ~0.5 en ~0.2 eV bo die middel van die WS2 bandgaping geleë, wat elektron-gat simmetrie breek. Ons vind dat die aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag ~6 keer groter is as vir elektronoordrag (sien die Aanvullende Materiale), en daarom word verwag dat gatoordrag vinniger sal wees as elektronoordrag.
'n Volledige mikroskopiese beeld van die waargenome ultravinnige asimmetriese ladingoordrag moet egter ook die oorvleueling tussen die orbitale wat die A-eksitongolffunksie in WS2 en die grafeen π-band vorm, in ag neem, onderskeidelik verskillende elektron-elektron- en elektron-fononverstrooiing kanale insluitend die beperkings wat deur momentum, energie, spin en pseudospin bewaring opgelê word, die invloed van plasma ossillasies (33), sowel as die rol van 'n moontlike verplasende opwekking van koherente fononossillasies wat die ladingoordrag kan bemiddel (34, 35). Ook kan 'n mens spekuleer of die waargenome lading-oordragtoestand bestaan uit ladingoordrag-eksitons of vrye elektron-gat-pare (sien die Aanvullende Materiaal). Verdere teoretiese ondersoeke wat buite die bestek van hierdie referaat strek, word vereis om hierdie kwessies op te klaar.
Samevattend het ons tr-ARPES gebruik om ultravinnige tussenlaagladingoordrag in 'n epitaksiale WS2/grafeen heterostruktuur te bestudeer. Ons het gevind dat, wanneer dit opgewek word by resonansie tot die A-opwekking van WS2 by 2 eV, die foto-opgewekte gate vinnig oorgedra word na die grafeenlaag terwyl die foto-opgewekte elektrone in die WS2-laag bly. Ons het dit toegeskryf aan die feit dat die aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag groter is as vir elektronoordrag. Die leeftyd van die lading-geskeide verbygaande toestand is gevind om ~1 ps te wees. In kombinasie met spin-selektiewe optiese opwekking met behulp van sirkelvormige gepolariseerde lig (22-25), kan die waargenome ultravinnige lading-oordrag gepaard gaan met spin-oordrag. In hierdie geval kan die ondersoekde WS2/grafeen-heterostruktuur gebruik word vir doeltreffende optiese spin-inspuiting in grafeen wat tot nuwe optospintroniese toestelle lei.
Die grafeenmonsters is op kommersiële halfgeleidende 6H-SiC(0001)-wafers van SiCrystal GmbH gekweek. Die N-gedoteerde wafers was op-as met 'n missnit onder 0.5°. Die SiC-substraat is met waterstof geëts om skrape te verwyder en gereelde plat terrasse te verkry. Die skoon en atomies plat Si-beëindigde oppervlak is dan gegrafitiseer deur die monster in Ar atmosfeer by 1300°C vir 8 min (36) uit te gloei. Op hierdie manier het ons 'n enkele koolstoflaag verkry waar elke derde koolstofatoom 'n kovalente binding aan die SiC-substraat gevorm het (37). Hierdie laag is dan verander in heeltemal sp2-gehibridiseerde kwasi vrystaande gat-gedoteerde grafeen via waterstof interkalasie (38). Daar word na hierdie monsters verwys as grafeen/H-SiC(0001). Die hele proses is in 'n kommersiële Black Magic-groeikamer van Aixtron uitgevoer. Die WS2-groei is in 'n standaard warmwand-reaktor uitgevoer deur laedruk chemiese dampneerslag (39, 40) met behulp van WO3 en S poeiers met 'n massaverhouding van 1:100 as voorlopers. Die WO3- en S-poeiers is onderskeidelik by 900 en 200°C gehou. Die WO3-poeier is naby die substraat geplaas. Argon is as draergas gebruik met 'n vloei van 8 sccm. Die druk in die reaktor is op 0,5 mbar gehou. Die monsters is gekarakteriseer met sekondêre elektronmikroskopie, atoomkragmikroskopie, Raman en fotoluminessensiespektroskopie, sowel as lae-energie elektrondiffraksie. Hierdie metings het twee verskillende WS2 enkelkristallyne domeine aan die lig gebring waar óf die ΓK- of die ΓK'-rigting in lyn is met die ΓK-rigting van die grafeenlaag. Domein sy lengtes het gewissel tussen 300 en 700 nm, en die totale WS2 dekking was benaderd tot ~40%, geskik vir die ARPES analise.
Die statiese ARPES-eksperimente is uitgevoer met 'n hemisferiese ontleder (SPECS PHOIBOS 150) met behulp van 'n ladinggekoppelde toestel-detektorstelsel vir tweedimensionele opsporing van elektronenergie en momentum. Ongepolariseerde, monochromatiese He Iα-straling (21.2 eV) van 'n hoë-vloed He-ontladingsbron (VG Scienta VUV5000) is vir alle foto-emissie-eksperimente gebruik. Die energie en hoekresolusie in ons eksperimente was onderskeidelik beter as 30 meV en 0.3° (wat ooreenstem met 0.01 Å−1). Alle eksperimente is by kamertemperatuur uitgevoer. ARPES is 'n uiters oppervlak-sensitiewe tegniek. Om foto-elektrone uit beide die WS2- en die grafeenlaag uit te stoot, is monsters met 'n onvolledige WS2-dekking van ~40% gebruik.
Die tr-ARPES-opstelling was gebaseer op 'n 1-kHz Titanium:Sapphire-versterker (Coherent Legend Elite Duo). 2 mJ uitsetkrag is gebruik vir die opwekking van hoë harmonieke in argon. Die gevolglike uiterste ultravioletlig het deur 'n rastermonochromator gegaan wat 100-fs-sondepulse by 26-eV-fotonenergie produseer. 8mJ versterker se uitsetkrag is na 'n optiese parametriese versterker (HE-TOPAS van Light Conversion) gestuur. Die seinbundel by 1-eV fotonenergie is frekwensie-verdubbel in 'n beta-bariumboraatkristal om die 2-eV-pomppulse te verkry. Die tr-ARPES metings is uitgevoer met 'n hemisferiese ontleder (SPECS PHOIBOS 100). Die algehele energie en temporele resolusie was onderskeidelik 240 meV en 200 fs.
Aanvullende materiaal vir hierdie artikel is beskikbaar by http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
Hierdie is 'n ooptoegang-artikel wat versprei word onder die bepalings van die Creative Commons Erkenning-Niekommersieel-lisensie, wat gebruik, verspreiding en reproduksie in enige medium toelaat, solank die gevolglike gebruik nie vir kommersiële voordeel is nie en mits die oorspronklike werk behoorlik is aangehaal.
LET WEL: Ons versoek net jou e-posadres sodat die persoon vir wie jy die bladsy aanbeveel weet dat jy wou hê hulle moet dit sien, en dat dit nie gemorspos is nie. Ons neem geen e-posadres vas nie.
Hierdie vraag is om te toets of jy 'n menslike besoeker is of nie en om outomatiese strooiposvoorleggings te voorkom.
Deur Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Ons openbaar ultravinnige ladingskeiding in 'n WS2/grafeen heterostruktuur wat moontlik optiese spin-inspuiting in grafeen moontlik maak.
Deur Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Ons openbaar ultravinnige ladingskeiding in 'n WS2/grafeen heterostruktuur wat moontlik optiese spin-inspuiting in grafeen moontlik maak.
© 2020 American Association for the Advancement of Science. Alle regte voorbehou. AAAS is 'n vennoot van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Postyd: 25 Mei 2020