એપિટેક્સિયલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સમાં કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ વિભાજન માટેના સીધા પુરાવા

અમે મોનોલેયર WS2 અને ગ્રાફીનથી બનેલા એપિટાક્સિયલ હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફરની તપાસ કરવા માટે સમય- અને એંગલ-રિઝોલ્વ્ડ ફોટોઈમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (tr-ARPES) નો ઉપયોગ કરીએ છીએ. આ હેટરોસ્ટ્રક્ચર ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટરના ફાયદાઓને મજબૂત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લિંગ અને મજબૂત પ્રકાશ-દ્રવ્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સાથે અત્યંત ઊંચી ગતિશીલતા અને લાંબા સ્પિન જીવનકાળ સાથે સેમિમેટલ હોસ્ટિંગ માસલેસ કેરિયર્સ સાથે જોડે છે. અમે શોધી કાઢ્યું છે કે, WS2 માં A-excitonના પડઘો પર ફોટોએક્સિટેશન પછી, ફોટોએક્સાઈટેડ છિદ્રો ઝડપથી ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જ્યારે ફોટોએક્સાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોન WS2 સ્તરમાં રહે છે. પરિણામી ચાર્જ-સેપરેટેડ ક્ષણિક સ્થિતિ ∼1 ps નું જીવનકાળ ધરાવે છે. અમે અમારા તારણોને WS2 અને ગ્રેફિન બેન્ડના સંબંધિત સંરેખણને કારણે થતા સ્કેટરિંગ ફેઝ સ્પેસમાં તફાવતોને આભારી છીએ, જેમ કે ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ARPES દ્વારા જાહેર કરવામાં આવ્યું છે. સ્પિન-પસંદગીયુક્ત ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના સાથે સંયોજનમાં, તપાસ કરેલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચર ગ્રાફીનમાં કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શન માટે પ્લેટફોર્મ પ્રદાન કરી શકે છે.

ઘણી અલગ-અલગ દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રીની ઉપલબ્ધતાએ અનુરૂપ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્ક્રીનીંગ અને વિવિધ નિકટતા-પ્રેરિત અસરો (1-3) પર આધારિત સંપૂર્ણપણે નવી કાર્યક્ષમતા સાથે નવલકથા આખરે પાતળા હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવવાની શક્યતા ખોલી છે. ઈલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં ભાવિ એપ્લિકેશનો માટે પ્રૂફ-ઓફ-પ્રિન્સિપલ ઉપકરણો સાકાર કરવામાં આવ્યા છે (4-6).

અહીં, અમે મોનોલેયર ડબ્લ્યુએસ 2 ધરાવતા એપિટેક્સિયલ વેન ડેર વાલ્સ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીએ છીએ, જે મજબૂત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લિંગ સાથેનું ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટર છે અને તૂટેલી વ્યુત્ક્રમ સમપ્રમાણતાને કારણે બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરનું મોટું સ્પિન સ્પ્લિટિંગ (7), અને મોનોલેયર ગ્રાફીન, સેમિમેટલ છે. શંક્વાકાર બેન્ડ માળખું અને અત્યંત ઉચ્ચ વાહક ગતિશીલતા સાથે (8), હાઇડ્રોજન-ટર્મિનેટેડ SiC(0001) પર ઉગાડવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર (9-15) અને નિકટતા-પ્રેરિત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લીંગ ઇફેક્ટ્સ (16-18) માટેના પ્રથમ સંકેતો WS2/ગ્રાફીન અને સમાન હેટરોસ્ટ્રક્ચરને ભવિષ્યના ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક (19) અને ઓપ્ટોસ્પિન્ટ્રોનિક (20) એપ્લિકેશન્સ માટે આશાસ્પદ ઉમેદવારો બનાવે છે.

અમે WS2/ગ્રાફીનમાં ફોટોજનરેટેડ ઈલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીના છૂટછાટના માર્ગોને સમય- અને એંગલ-રિઝોલ્વ્ડ ફોટોઈમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (tr-ARPES) સાથે જાહેર કરવાનું નક્કી કર્યું છે. તે હેતુ માટે, અમે WS2 (21, 12) માં A-exciton સાથે પ્રતિધ્વનિ 2-eV પંપ પલ્સ સાથે હેટરોસ્ટ્રક્ચરને ઉત્તેજિત કરીએ છીએ અને 26-eV ફોટોન ઊર્જા પર બીજી વખત વિલંબિત પ્રોબ પલ્સ સાથે ફોટોઈલેક્ટ્રોન બહાર કાઢીએ છીએ. અમે ગતિ-, ઊર્જા-, અને સમય-ઉકેલાયેલી વાહક ગતિશીલતાની ઍક્સેસ મેળવવા માટે પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે હેમિસ્ફેરિકલ વિશ્લેષક સાથે ફોટોઈલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા અને ઉત્સર્જન કોણ નક્કી કરીએ છીએ. ઊર્જા અને સમયનું રિઝોલ્યુશન અનુક્રમે 240 meV અને 200 fs છે.

અમારા પરિણામો એપિટાક્સિલી સંરેખિત સ્તરો વચ્ચે અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર માટે પ્રત્યક્ષ પુરાવા પૂરા પાડે છે, સ્તરોની મનસ્વી એઝિમુથલ ગોઠવણી સાથે સમાન મેન્યુઅલી એસેમ્બલ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સમાં ઓલ-ઓપ્ટિકલ તકનીકોના આધારે પ્રથમ સંકેતોની પુષ્ટિ કરે છે (9-15). વધુમાં, અમે બતાવીએ છીએ કે આ ચાર્જ ટ્રાન્સફર અત્યંત અસમપ્રમાણ છે. અમારા માપો અનુક્રમે WS2 અને ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થિત ફોટોએક્સાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો સાથે અગાઉ અવલોકન ન કરાયેલ ચાર્જ-અલગ ક્ષણિક સ્થિતિ દર્શાવે છે, જે ∼1 ps માટે જીવે છે. ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ARPES દ્વારા જાહેર કરાયેલ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડના સંબંધિત સંરેખણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર ટ્રાન્સફર માટે સ્કેટરિંગ ફેઝ સ્પેસમાં તફાવતોના સંદર્ભમાં અમે અમારા તારણોનું અર્થઘટન કરીએ છીએ. સ્પિન- અને વેલી-સિલેક્ટિવ ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના (22-25) WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ સાથે સંયોજિત, ગ્રેફિનમાં કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાફાસ્ટ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શન માટે એક નવું પ્લેટફોર્મ પ્રદાન કરી શકે છે.

આકૃતિ 1A એપિટેક્સિયલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરની ΓK-દિશા સાથે બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરના હિલીયમ લેમ્પ સાથે મેળવેલ ઉચ્ચ-રીઝોલ્યુશન ARPES માપ દર્શાવે છે. ડીરાક શંકુ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતાથી ઉપર ∼0.3 eV સ્થિત ડીરાક પોઈન્ટ સાથે હોલ-ડોપેડ હોવાનું જણાયું છે. સ્પિન-સ્પ્લિટ WS2 વેલેન્સ બેન્ડની ટોચ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતાની નીચે ∼1.2 eV હોવાનું જણાયું છે.

(A) અધ્રુવીકૃત હિલીયમ લેમ્પ સાથે ΓK-દિશા સાથે માપવામાં આવેલ સમતુલા ફોટોકરન્ટ. (B) 26-eV ફોટોન ઉર્જા પર p-ધ્રુવીકૃત અત્યંત અલ્ટ્રાવાયોલેટ કઠોળ સાથે માપવામાં આવેલ નકારાત્મક પંપ-પ્રોબ વિલંબ માટે ફોટોકરન્ટ. ડૅશ્ડ ગ્રે અને લાલ રેખાઓ ફિગ. 2 માં ક્ષણિક શિખર સ્થિતિને કાઢવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી રેખા પ્રોફાઇલ્સની સ્થિતિને ચિહ્નિત કરે છે. (C) પંપ પ્રવાહ સાથે 2 eV ની પંપ ફોટોન ઉર્જા પર ફોટોએક્સિટેશન પછી ફોટોકરન્ટ 200 fs ના પંપ-પ્રેરિત ફેરફારો 2 mJ/cm2. ફોટોઈલેક્ટ્રોનનો લાભ અને નુકશાન અનુક્રમે લાલ અને વાદળી રંગમાં બતાવવામાં આવે છે. બોક્સ ફિગ. 3 માં દર્શાવેલ પંપ-પ્રોબ ટ્રેસ માટે એકીકરણનો વિસ્તાર દર્શાવે છે.

આકૃતિ 1B એ WS2 ની નજીકના બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરનો tr-ARPES સ્નેપશોટ બતાવે છે અને પંપ પલ્સનાં આગમન પહેલાં નકારાત્મક પંપ-પ્રોબ વિલંબ પર 26-eV ફોટોન ઉર્જા પર 100-fs અત્યંત અલ્ટ્રાવાયોલેટ પલ્સ સાથે માપવામાં આવેલ ગ્રાફીન K-પોઇન્ટ્સ. અહીં, નમૂનાના અધોગતિ અને 2-eV પંપ પલ્સની હાજરીને કારણે સ્પિન સ્પ્લિટિંગનું નિરાકરણ થતું નથી જે સ્પેસ ચાર્જનું કારણ બને છે સ્પેક્ટ્રલ લક્ષણોને વિસ્તૃત કરે છે. આકૃતિ 1C 200 fs ના પંપ-પ્રોબ વિલંબ પર ફિગ 1B ના સંદર્ભમાં પંપ-પ્રેરિત ફેરફારો દર્શાવે છે જ્યાં પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ તેની મહત્તમ પહોંચે છે. લાલ અને વાદળી રંગો અનુક્રમે ફોટોઈલેક્ટ્રોનનો લાભ અને નુકશાન દર્શાવે છે.

આ સમૃદ્ધ ગતિશીલતાનું વધુ વિગતમાં પૃથ્થકરણ કરવા માટે, અમે પહેલા WS2 વેલેન્સ બેન્ડ અને ગ્રાફીન π-બેન્ડની ક્ષણિક ટોચની સ્થિતિને ફિગ. 1B માં ડેશ કરેલી રેખાઓ સાથે નિર્ધારિત કરીએ છીએ જેમ કે પૂરક સામગ્રીમાં વિગતવાર સમજાવવામાં આવ્યું છે. અમે શોધીએ છીએ કે WS2 વેલેન્સ બેન્ડ 90 meV (ફિગ. 2A) દ્વારા શિફ્ટ થાય છે અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ 50 meV (ફિગ. 2B) દ્વારા નીચે શિફ્ટ થાય છે. આ પાળીઓનું ઘાતાંકીય જીવનકાળ WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડ માટે 1.2 ± 0.1 ps અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ માટે 1.7 ± 0.3 ps જોવા મળે છે. આ પીક શિફ્ટ્સ બે સ્તરોના ક્ષણિક ચાર્જિંગના પ્રથમ પુરાવા પ્રદાન કરે છે, જ્યાં વધારાના હકારાત્મક (નકારાત્મક) ચાર્જ ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓની બંધનકર્તા ઊર્જાને વધારે છે (ઘટાડે છે). નોંધ કરો કે WS2 વેલેન્સ બેન્ડની અપશિફ્ટ ફિગ. 1C માં બ્લેક બોક્સ દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ વિસ્તારમાં અગ્રણી પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ માટે જવાબદાર છે.

WS2 વેલેન્સ બેન્ડ (A) અને graphene π-band (B) ની ટોચની સ્થિતિમાં ફેરફાર પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે ઘાતાંકીય ફીટ (જાડી રેખાઓ) સાથે. (A) માં WS2 શિફ્ટનું જીવનકાળ 1.2 ± 0.1 ps છે. (B) માં ગ્રાફીન શિફ્ટનું જીવનકાળ 1.7 ± 0.3 ps છે.

આગળ, અમે ફિગ. 1C માં રંગીન બોક્સ દ્વારા દર્શાવેલ વિસ્તારો પર પંપ-પ્રોબ સિગ્નલને એકીકૃત કરીએ છીએ અને ફિગ. 3 માં પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે પરિણામી ગણતરીઓનું વર્ણન કરીએ છીએ. આકૃતિ 3 માં વળાંક 1 ની ગતિશીલતા દર્શાવે છે. 1.1 ± 0.1 પીએસના જીવનકાળ સાથે WS2 સ્તરના વહન બેન્ડના તળિયે ફોટોએક્સાઇટેડ કેરિયર્સ ડેટામાં ઘાતાંકીય ફિટથી મેળવેલ (પૂરક સામગ્રી જુઓ).

ફિગ. 1C માં બોક્સ દ્વારા દર્શાવેલ વિસ્તાર પર ફોટોકરન્ટને એકીકૃત કરીને વિલંબના કાર્ય તરીકે પંપ-પ્રોબ ટ્રેસ. જાડી રેખાઓ ડેટા માટે ઘાતાંકીય ફિટ છે. WS2 ના વહન બેન્ડમાં વળાંક (1) ક્ષણિક વાહક વસ્તી. વળાંક (2) સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત ઉપરના ગ્રેફિનના π-બેન્ડનું પમ્પ-પ્રોબ સિગ્નલ. વળાંક (3) સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત નીચે ગ્રેફિનના π-બેન્ડનું પમ્પ-પ્રોબ સિગ્નલ. WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં વળાંક (4) નેટ પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ. જીવનકાળ (1) માં 1.2 ± 0.1 ps, (2) માં 180 ± 20 fs (ગેઇન) અને ∼ 2 ps (નુકસાન) અને (3) માં 1.8 ± 0.2 ps જોવા મળે છે.

ફિગ. 3 ના વળાંક 2 અને 3 માં, અમે ગ્રાફીન π-બેન્ડના પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ બતાવીએ છીએ. અમે શોધી કાઢ્યું છે કે સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત (વળાંક 3 માં 1.8 ± 0.2 ps) થી નીચેના ઇલેક્ટ્રોનના નુકસાનની તુલનામાં સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત (અંજીર 3 માં વળાંક 2) થી ઉપરના ઇલેક્ટ્રોનનો લાભ ઘણો ટૂંકો જીવનકાળ (180 ± 20 fs) ધરાવે છે. ફિગ. 3). આગળ, ફિગ. 3 ના વળાંક 2 માં ફોટોકરન્ટનો પ્રારંભિક લાભ ∼2 ps ના જીવનકાળ સાથે t = 400 fs પર નુકસાનમાં ફેરવાતો જોવા મળે છે. લાભ અને નુકસાન વચ્ચેની અસમપ્રમાણતા અનકવર્ડ મોનોલેયર ગ્રાફીનના પંપ-પ્રોબ સિગ્નલમાં ગેરહાજર હોવાનું જોવા મળે છે (જુઓ. પૂરક સામગ્રીમાં ફિગ. S5), જે દર્શાવે છે કે અસમપ્રમાણતા WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં ઇન્ટરલેયર કપ્લિંગનું પરિણામ છે. સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતની ઉપર અને નીચે અનુક્રમે અલ્પજીવી લાભ અને લાંબા ગાળાના નુકસાનનું અવલોકન સૂચવે છે કે હેટરોસ્ટ્રક્ચરના ફોટોએક્સિટેશન પર ગ્રાફીન સ્તરમાંથી ઇલેક્ટ્રોન કાર્યક્ષમ રીતે દૂર કરવામાં આવે છે. પરિણામે, ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે, જે ફિગ. 2B માં જોવા મળેલ π-બેન્ડની બંધનકર્તા ઊર્જાના વધારા સાથે સુસંગત છે. π-બેન્ડની ડાઉનશિફ્ટ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત ઉપરથી સંતુલન ફર્મી-ડિરાક વિતરણની ઉચ્ચ-ઊર્જા પૂંછડીને દૂર કરે છે, જે આંશિક રીતે ફિગ. 3 ના વળાંક 2 માં પંપ-પ્રોબ સિગ્નલના ચિહ્નના ફેરફારને સમજાવે છે. નીચે બતાવો કે આ અસર π-બેન્ડમાં ઈલેક્ટ્રોનના ક્ષણિક નુકશાન દ્વારા વધારે છે.

આ દૃશ્ય ફિગ. 3 ના વળાંક 4 માં WS2 વેલેન્સ બેન્ડના ચોખ્ખા પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ દ્વારા સમર્થિત છે. આ ડેટા ફિગ. 1B માં બ્લેક બોક્સ દ્વારા આપવામાં આવેલા વિસ્તાર પરની ગણતરીઓને એકીકૃત કરીને મેળવવામાં આવ્યો હતો જેમાંથી ફોટો ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનને પકડે છે. તમામ પંપ-તપાસ વિલંબ પર વેલેન્સ બેન્ડ. પ્રાયોગિક એરર બારની અંદર, કોઈપણ પંપ-પ્રોબ વિલંબ માટે WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં છિદ્રોની હાજરી માટે અમને કોઈ સંકેત મળ્યા નથી. આ સૂચવે છે કે, ફોટોએક્સિટેશન પછી, આ છિદ્રો અમારા ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશનની તુલનામાં ટૂંકા સમયના સ્કેલ પર ઝડપથી રિફિલ થાય છે.

WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ વિભાજનની અમારી પૂર્વધારણા માટે અંતિમ પુરાવો આપવા માટે, અમે પૂરક સામગ્રીમાં વિગતવાર વર્ણવ્યા મુજબ ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત છિદ્રોની સંખ્યા નક્કી કરીએ છીએ. ટૂંકમાં, π-બેન્ડનું ક્ષણિક ઇલેક્ટ્રોનિક વિતરણ ફર્મી-ડિરાક વિતરણ સાથે ફીટ કરવામાં આવ્યું હતું. પછી ક્ષણિક રાસાયણિક સંભવિત અને ઇલેક્ટ્રોનિક તાપમાન માટે પરિણામી મૂલ્યોમાંથી છિદ્રોની સંખ્યાની ગણતરી કરવામાં આવી હતી. પરિણામ અંજીર 4 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. અમે શોધી કાઢ્યું છે કે કુલ ∼5 × 1012 છિદ્રો/cm2 1.5 ± 0.2 ps ના ઘાતાંકીય જીવનકાળ સાથે WS2 થી ગ્રાફીનમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે.

પંપ-તપાસ વિલંબના કાર્ય તરીકે π-બેન્ડમાં છિદ્રોની સંખ્યામાં ફેરફાર સાથે ઘાતાંકીય ફિટ 1.5 ± 0.2 ps ની આજીવન ઉપજ આપે છે.

ફિગ માં તારણો પ્રતિ. 2 થી 4, WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર માટે નીચેનું માઇક્રોસ્કોપિક ચિત્ર બહાર આવે છે (ફિગ. 5). 2 eV પર WS2/graphene heterostructureનું ફોટોએક્સિટેશન WS2 (ફિગ. 5A) માં A-exciton ને પ્રભાવિત કરે છે. ગ્રાફીનમાં ડીરાક પોઈન્ટ તેમજ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડ વચ્ચે વધારાની ઈલેક્ટ્રોનિક ઉત્તેજના ઉર્જાથી શક્ય છે પરંતુ નોંધપાત્ર રીતે ઓછી કાર્યક્ષમ છે. WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં ફોટોએક્સાઈટેડ છિદ્રો અમારા ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશન (ફિગ. 5A) ની તુલનામાં ટૂંકા ધોરણે ગ્રાફીન π-બેન્ડમાંથી ઉદ્ભવતા ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા ફરીથી ભરવામાં આવે છે. WS2 ના વહન બેન્ડમાં ફોટોએક્સાઇટેડ ઇલેક્ટ્રોન ∼1 ps (ફિગ. 5B) નું જીવનકાળ ધરાવે છે. જો કે, ગ્રાફીન π-બેન્ડ (ફિગ. 5B) માં છિદ્રોને ફરીથી ભરવામાં ∼2 ps લાગે છે. આ સૂચવે છે કે, WS2 વહન બેન્ડ અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ વચ્ચેના સીધા ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર સિવાય, વધારાના છૂટછાટના માર્ગો-સંભવતઃ ખામી સ્થિતિ (26) દ્વારા-સંપૂર્ણ ગતિશીલતાને સમજવા માટે ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છે.

(A) 2 eV પર WS2 A-exciton ના પડઘો પર ફોટોએક્સિટેશન WS2 ના વહન બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનને ઇન્જેક્ટ કરે છે. WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં સંબંધિત છિદ્રો ગ્રાફીન π-બેન્ડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા તરત જ રિફિલ થાય છે. (B) WS2 ના વહન બેન્ડમાં ફોટોએક્સાઈટેડ કેરિયર્સનું જીવનકાળ ∼1 ps છે. ગ્રેફીન π-બેન્ડમાં છિદ્રો ∼2 ps માટે જીવંત રહે છે, જે ડેશ કરેલા તીરો દ્વારા દર્શાવેલ વધારાની સ્કેટરિંગ ચેનલોનું મહત્વ દર્શાવે છે. (A) અને (B) માં કાળી ડેશવાળી રેખાઓ બેન્ડ શિફ્ટ અને રાસાયણિક સંભવિત ફેરફારો સૂચવે છે. (C) ક્ષણિક સ્થિતિમાં, WS2 સ્તર નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે જ્યારે ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે. ગોળાકાર ધ્રુવીકરણ પ્રકાશ સાથે સ્પિન-પસંદગીયુક્ત ઉત્તેજના માટે, WS2 માં ફોટોએક્સાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોન અને ગ્રાફીનના અનુરૂપ છિદ્રો વિરુદ્ધ સ્પિન ધ્રુવીકરણ દર્શાવે તેવી અપેક્ષા છે.

ક્ષણિક સ્થિતિમાં, ફોટોએક્સાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોન WS2 ના વહન બેન્ડમાં રહે છે જ્યારે ફોટોએક્સાઈટેડ છિદ્રો ગ્રાફીન (ફિગ. 5C) ના π-બેન્ડમાં સ્થિત હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે WS2 સ્તર નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ છે અને ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ છે. આ ક્ષણિક પીક શિફ્ટ (ફિગ. 2), ગ્રાફીન પંપ-પ્રોબ સિગ્નલની અસમપ્રમાણતા (ફિગ. 3 ના વળાંક 2 અને 3), WS2 (વળાંક 4 ફિગ. 3) ના વેલેન્સ બેન્ડમાં છિદ્રોની ગેરહાજરી માટે જવાબદાર છે. , તેમજ ગ્રાફીન π-બેન્ડમાં વધારાના છિદ્રો (ફિગ. 4). આ ચાર્જ-સેપરેટેડ સ્ટેટનું જીવનકાળ ∼1 ps (વળાંક 1 ફિગ. 3) છે.

સમાન ચાર્જ-સેપરેટેડ ક્ષણિક અવસ્થાઓ ટાઇપ II બેન્ડ અલાઇનમેન્ટ અને સ્ટેગર્ડ બેન્ડગેપ (27–32) સાથેના બે ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટરમાંથી બનેલા સંબંધિત વાન ડેર વાલ્સ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સમાં જોવા મળી છે. ફોટોએક્સિટેશન પછી, ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો અનુક્રમે વહન બેન્ડના તળિયે અને વેલેન્સ બેન્ડની ટોચ પર ઝડપથી જતા જોવા મળ્યા હતા, જે હેટરોસ્ટ્રક્ચર (27-32) ના વિવિધ સ્તરોમાં સ્થિત છે.

અમારા WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરના કિસ્સામાં, ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો બંને માટે ઊર્જાસભર રીતે સૌથી અનુકૂળ સ્થાન મેટાલિક ગ્રાફીન સ્તરમાં ફર્મી સ્તર પર છે. તેથી, કોઈ અપેક્ષા રાખે છે કે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો બંને ઝડપથી ગ્રાફીન π-બેન્ડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. જો કે, અમારા માપ સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે કે હોલ ટ્રાન્સફર (<200 fs) એ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર (∼1 ps) કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ છે. અમે આનું શ્રેય WS2 ના સંબંધિત ઊર્જાસભર સંરેખણ અને ચિત્ર 1A માં દર્શાવેલ ગ્રાફીન બેન્ડને આપીએ છીએ જે તાજેતરમાં (14, 15) દ્વારા અપેક્ષિત ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફરની તુલનામાં હોલ ટ્રાન્સફર માટે મોટી સંખ્યામાં ઉપલબ્ધ અંતિમ સ્થિતિઓ પ્રદાન કરે છે. હાલના કિસ્સામાં, ∼2 eV WS2 બેન્ડગેપ ધારીને, ગ્રાફીન ડીરાક પોઈન્ટ અને સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત અનુક્રમે ∼0.5 અને ∼0.2 eV WS2 બેન્ડગેપની મધ્યથી ઉપર સ્થિત છે, જે ઈલેક્ટ્રોન-હોલ સપ્રમાણતાને તોડે છે. અમે શોધી કાઢ્યું છે કે હોલ ટ્રાન્સફર માટે ઉપલબ્ધ અંતિમ અવસ્થાઓની સંખ્યા ઈલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર કરતા ∼ 6 ગણી મોટી છે (પૂરક સામગ્રી જુઓ), જેના કારણે ઈલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર કરતાં હોલ ટ્રાન્સફર વધુ ઝડપી હોવાની અપેક્ષા છે.

અવલોકન કરાયેલ અલ્ટ્રાફાસ્ટ અસમપ્રમાણ ચાર્જ ટ્રાન્સફરનું સંપૂર્ણ માઇક્રોસ્કોપિક ચિત્ર, જો કે, WS2 માં A-exciton તરંગ કાર્ય અને graphene π-band, અનુક્રમે, વિવિધ ઇલેક્ટ્રોન-ઇલેક્ટ્રોન અને ઇલેક્ટ્રોન-ફોનન સ્કેટરિંગની રચના કરતી ઓર્બિટલ્સ વચ્ચેના ઓવરલેપને પણ ધ્યાનમાં લેવું જોઈએ. વેગ, ઊર્જા, સ્પિન અને સ્યુડોસ્પિન સંરક્ષણ દ્વારા લાદવામાં આવેલા અવરોધો સહિતની ચેનલો, પ્લાઝ્મા ઓસિલેશન (33), તેમજ સુસંગત ફોનોન ઓસિલેશનના સંભવિત વિસ્થાપન ઉત્તેજનાની ભૂમિકા જે ચાર્જ ટ્રાન્સફરમાં મધ્યસ્થી કરી શકે છે (34, 35). ઉપરાંત, કોઈ અનુમાન કરી શકે છે કે શું અવલોકન કરાયેલ ચાર્જ ટ્રાન્સફર સ્ટેટમાં ચાર્જ ટ્રાન્સફર એક્સિટોન્સ અથવા ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન-હોલ પેરનો સમાવેશ થાય છે (જુઓ પૂરક સામગ્રી). આ મુદ્દાઓને સ્પષ્ટ કરવા માટે વધુ સૈદ્ધાંતિક તપાસ કે જે વર્તમાન પેપરના અવકાશની બહાર જાય છે તે જરૂરી છે.

સારાંશમાં, અમે એપિટેક્સિયલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ઇન્ટરલેયર ચાર્જ ટ્રાન્સફરનો અભ્યાસ કરવા tr-ARPES નો ઉપયોગ કર્યો છે. અમને જાણવા મળ્યું કે, જ્યારે 2 eV પર WS2 ના A-exciton ના પડઘો પર ઉત્તેજિત થાય છે, ત્યારે ફોટોએક્સાઈટેડ છિદ્રો ઝડપથી ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જ્યારે ફોટોએક્સાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોન WS2 સ્તરમાં રહે છે. અમે આ હકીકતને આભારી છીએ કે છિદ્ર ટ્રાન્સફર માટે ઉપલબ્ધ અંતિમ સ્થિતિઓની સંખ્યા ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર કરતાં મોટી છે. ચાર્જ-અલગ ક્ષણિક સ્થિતિનું જીવનકાળ ∼1 ps હોવાનું જણાયું હતું. ગોળ ધ્રુવીકૃત પ્રકાશ (22-25) નો ઉપયોગ કરીને સ્પિન-સિલેક્ટિવ ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના સાથે સંયોજનમાં, અવલોકન કરાયેલ અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર સ્પિન ટ્રાન્સફર સાથે હોઈ શકે છે. આ કિસ્સામાં, તપાસ કરાયેલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ ગ્રાફીનમાં કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઈન્જેક્શન માટે થઈ શકે છે જેના પરિણામે નોવેલ ઓપ્ટોસ્પિન્ટ્રોનિક ઉપકરણો બને છે.

ગ્રાફીન સેમ્પલ SiCrystal GmbH ના 6H-SiC(0001) વેફર્સ પર વાણિજ્યિક સેમિકન્ડક્ટિંગ પર ઉગાડવામાં આવ્યા હતા. N-doped વેફર્સ 0.5° ની નીચે મિસકટ સાથે અક્ષ પર હતા. સ્ક્રેચને દૂર કરવા અને નિયમિત ફ્લેટ ટેરેસ મેળવવા માટે SiC સબસ્ટ્રેટ હાઇડ્રોજન-એચ્ડ હતું. પછી સ્વચ્છ અને પરમાણુ સપાટ Si-ટર્મિનેટેડ સપાટીને Ar વાતાવરણમાં 8 મિનિટ (36) માટે 1300°C પર નમૂનાને એનિલ કરીને ગ્રાફાઇટાઇઝ કરવામાં આવી હતી. આ રીતે, અમે એક કાર્બન સ્તર મેળવ્યું જ્યાં દરેક ત્રીજા કાર્બન અણુએ SiC સબસ્ટ્રેટ (37) સાથે સહસંયોજક બંધન રચ્યું. આ સ્તર પછી હાઇડ્રોજન ઇન્ટરકેલેશન (38) દ્વારા સંપૂર્ણપણે sp2-હાઇબ્રિડાઇઝ્ડ ક્વાસી ફ્રી-સ્ટેન્ડિંગ હોલ-ડોપેડ ગ્રાફીનમાં ફેરવાઈ ગયું. આ નમૂનાઓને ગ્રાફીન/H-SiC(0001) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આખી પ્રક્રિયા એઇક્સ્ટ્રોન તરફથી કોમર્શિયલ બ્લેક મેજિક ગ્રોથ ચેમ્બરમાં હાથ ધરવામાં આવી હતી. WS2 વૃદ્ધિ પ્રમાણભૂત હોટ-વોલ રિએક્ટરમાં નીચા-પ્રેશર રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (39, 40) દ્વારા WO3 અને S પાવડરનો ઉપયોગ કરીને 1:100 ના સામૂહિક ગુણોત્તર સાથે પુરોગામી તરીકે હાથ ધરવામાં આવી હતી. WO3 અને S પાવડરને અનુક્રમે 900 અને 200°C પર રાખવામાં આવ્યા હતા. WO3 પાવડર સબસ્ટ્રેટની નજીક મૂકવામાં આવ્યો હતો. આર્ગોનનો ઉપયોગ 8 sccm ના પ્રવાહ સાથે વાહક ગેસ તરીકે થતો હતો. રિએક્ટરમાં દબાણ 0.5 mbar રાખવામાં આવ્યું હતું. સેકન્ડરી ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી, એટોમિક ફોર્સ માઈક્રોસ્કોપી, રામન અને ફોટોલ્યુમિનેસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી તેમજ લો-એનર્જી ઈલેક્ટ્રોન ડિફ્રેક્શન દ્વારા સેમ્પલ દર્શાવવામાં આવ્યા હતા. આ માપનથી બે અલગ-અલગ WS2 સિંગલ-ક્રિસ્ટલાઇન ડોમેન્સ બહાર આવ્યા છે જ્યાં કાં તો ΓK- અથવા ΓK'-દિશા ગ્રાફીન સ્તરની ΓK-દિશા સાથે સંરેખિત છે. ડોમેન બાજુની લંબાઈ 300 અને 700 nm વચ્ચે બદલાય છે, અને કુલ WS2 કવરેજ અંદાજે ∼40% હતું, જે ARPES વિશ્લેષણ માટે યોગ્ય હતું.

ઇલેક્ટ્રોન ઉર્જા અને ગતિના દ્વિ-પરિમાણીય શોધ માટે ચાર્જ-કપ્લ્ડ ડિવાઇસ-ડિટેક્ટર સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને સ્થિર ARPES પ્રયોગો હેમિસ્ફેરિકલ વિશ્લેષક (SPECS PHOIBOS 150) સાથે કરવામાં આવ્યા હતા. અધ્રુવીકરણ, મોનોક્રોમેટિક He Iα રેડિયેશન (21.2 eV) હાઇ-ફ્લક્સ હી ડિસ્ચાર્જ સ્ત્રોત (VG Scienta VUV5000) નો ઉપયોગ તમામ ફોટો ઉત્સર્જન પ્રયોગો માટે કરવામાં આવ્યો હતો. અમારા પ્રયોગોમાં ઊર્જા અને કોણીય રીઝોલ્યુશન અનુક્રમે 30 meV અને 0.3° (0.01 Å−1 ને અનુરૂપ) કરતાં વધુ સારા હતા. બધા પ્રયોગો ઓરડાના તાપમાને હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. ARPES એ અત્યંત સપાટી-સંવેદનશીલ તકનીક છે. WS2 અને ગ્રાફીન સ્તર બંનેમાંથી ફોટોઈલેક્ટ્રોન બહાર કાઢવા માટે, ∼40% ના અપૂર્ણ WS2 કવરેજવાળા નમૂનાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.

tr-ARPES સેટઅપ 1-kHz ટાઇટેનિયમ: સેફાયર એમ્પ્લીફાયર (કોહેરન્ટ લિજેન્ડ એલિટ ડ્યુઓ) પર આધારિત હતું. આર્ગોનમાં ઉચ્ચ હાર્મોનિક્સ જનરેશન માટે 2 mJ આઉટપુટ પાવરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરિણામી આત્યંતિક અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશ 26-eV ફોટોન ઉર્જા પર 100-fs પ્રોબ કઠોળ ઉત્પન્ન કરતા ગ્રેટિંગ મોનોક્રોમેટરમાંથી પસાર થાય છે. એમ્પ્લીફાયર આઉટપુટ પાવરનો 8mJ ઓપ્ટિકલ પેરામેટ્રિક એમ્પ્લીફાયર (લાઇટ કન્વર્ઝનથી HE-TOPAS) માં મોકલવામાં આવ્યો હતો. 2-eV પંપ પલ્સ મેળવવા માટે બીટા બેરિયમ બોરેટ ક્રિસ્ટલમાં 1-eV ફોટોન ઊર્જા પર સિગ્નલ બીમ આવર્તન-બમણું કરવામાં આવ્યું હતું. tr-ARPES માપન હેમિસ્ફેરિકલ વિશ્લેષક (SPECS PHOIBOS 100) વડે કરવામાં આવ્યું હતું. એકંદર ઊર્જા અને ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશન અનુક્રમે 240 meV અને 200 fs હતું.

આ લેખ માટેની પૂરક સામગ્રી http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 પર ઉપલબ્ધ છે

આ ક્રિએટિવ કૉમન્સ એટ્રિબ્યુશન-નોન-કમર્શિયલ લાઇસન્સની શરતો હેઠળ વિતરિત કરાયેલ એક ઓપન-ઍક્સેસ લેખ છે, જે કોઈપણ માધ્યમમાં ઉપયોગ, વિતરણ અને પુનઃઉત્પાદનની પરવાનગી આપે છે, જ્યાં સુધી પરિણામી ઉપયોગ વ્યવસાયિક લાભ માટે ન હોય અને જો મૂળ કાર્ય યોગ્ય રીતે હોય. ટાંકેલ

નોંધ: અમે ફક્ત તમારા ઇમેઇલ સરનામાંની વિનંતી કરીએ છીએ જેથી કરીને તમે જે વ્યક્તિને પૃષ્ઠની ભલામણ કરી રહ્યાં છો તે જાણી શકે કે તમે તેમને તે જોવા માગો છો અને તે જંક મેઇલ નથી. અમે કોઈપણ ઈમેલ એડ્રેસ કેપ્ચર કરતા નથી.

આ પ્રશ્ન તમે માનવ મુલાકાતી છો કે નહીં તે ચકાસવા અને સ્વયંચાલિત સ્પામ સબમિશનને રોકવા માટે છે.

સ્વેન એસ્ક્લિમન, એન્ટોનિયો રોસી, મારિયાના ચાવેઝ-સર્વેન્ટેસ, રઝવાન ક્રાઉઝ, બેનિટો આર્નોલ્ડી, બેન્જામિન સ્ટેડટમુલર, માર્ટિન એસ્ક્લિમન, સ્ટીવન ફોર્ટી, ફિલિપો ફેબરી, કેમિલા કોલેટી, ઇસાબેલા ગિયર્સ દ્વારા

અમે WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ વિભાજન જાહેર કરીએ છીએ જે કદાચ ગ્રાફીનમાં ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શનને સક્ષમ કરે છે.

સ્વેન એસ્ક્લિમન, એન્ટોનિયો રોસી, મારિયાના ચાવેઝ-સર્વેન્ટેસ, રઝવાન ક્રાઉઝ, બેનિટો આર્નોલ્ડી, બેન્જામિન સ્ટેડટમુલર, માર્ટિન એસ્ક્લિમન, સ્ટીવન ફોર્ટી, ફિલિપો ફેબરી, કેમિલા કોલેટી, ઇસાબેલા ગિયર્સ દ્વારા

અમે WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ વિભાજન જાહેર કરીએ છીએ જે કદાચ ગ્રાફીનમાં ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શનને સક્ષમ કરે છે.

© 2020 અમેરિકન એસોસિએશન ફોર ધ એડવાન્સમેન્ટ ઓફ સાયન્સ. સર્વાધિકાર આરક્ષિત. AAAS એ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef અને COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 ના ભાગીદાર છે.