Nou itilize spèktroskopi fotoemisyon tan ak ang-rezoud (tr-ARPES) pou mennen ankèt sou transfè chaj ultrarapid nan yon heterostructure epitaxial ki fèt ak monokouch WS2 ak grafèn. Heterostructure sa a konbine benefis ki genyen nan yon semi-conducteurs dirèk-gap ak gwo kouple vire-òbit ak fò entèraksyon limyè-matyè ak sa yo ki nan yon semimetal hosting transpòtè massless ak mobilite trè wo ak lavi vire long. Nou jwenn ke, apre fotoexcitation nan sonorite nan A-exciton nan WS2, twou photoexcited rapidman transfere nan kouch grafèn nan pandan y ap elektwon fotoexcited yo rete nan kouch WS2 la. Yo jwenn eta transitwa ki separe ak chaj ki lakòz yo gen yon lavi apeprè 1 ps. Nou atribiye konklizyon nou yo nan diferans ki genyen nan espas faz gaye ki te koze pa aliyman relatif nan WS2 ak bann grafèn kòm revele pa wo rezolisyon ARPES. An konbinezon ak eksitasyon optik vire selektif, heterostructure WS2 / grafèn envestige ta ka bay yon platfòm pou piki efikas optik vire nan grafèn.
Disponibilite nan anpil diferan materyèl ki genyen de dimansyon te louvri posiblite pou kreye nouvo eterostruktur finalman mens ak fonksyonalite konplètman nouvo ki baze sou tès depistaj dyelèktrik pwepare ak divès efè pwoksimite-pwovoke (1-3). Yo te reyalize aparèy prèv prensip pou aplikasyon pou fiti nan domèn elektwonik ak optoelektwonik (4-6).
Isit la, nou konsantre sou epitaxial van der Waals heterostructures ki fòme ak monokouch WS2, yon semi-kondiktè dirèk-gap ak gwo kouple vire-òbit ak yon divize gwo vire nan estrikti gwoup la akòz kase simetri envèsyon (7), ak monokouch grafèn, yon semimetal. ak estrikti bann konik ak trè wo transpòtè mobilite (8), grandi sou idwojèn-tèmine SiC (0001). Premye endikasyon pou transfè chaj ultrarapid (9-15) ak efè kouple vire-òbit pwoksimite-induit (16-18) fè WS2 / grafèn ak heterostructures menm jan an pwomèt kandida pou aplikasyon optoelectronic (19) ak optospintronic (20).
Nou te deside revele chemen detant pè elèktron-twou fotogénére nan WS2/grafèn ak espektroskopi fotoemisyon tan ak ang rezoud (tr-ARPES). Pou rezon sa a, nou eksite heterostructure a ak batman ponp 2-eV sonan nan A-exciton nan WS2 (21, 12) epi voye foto-elektron ak yon dezyèm batman sonde tan reta nan enèji foton 26-eV. Nou detèmine enèji sinetik ak ang emisyon foto-elektron yo ak yon analizeur emisferik kòm yon fonksyon delè ponp-sond pou jwenn aksè nan dinamik transpòtè momantòm-, enèji-, ak tan-rezoud. Rezolisyon enèji ak tan se 240 meV ak 200 fs, respektivman.
Rezilta nou yo bay prèv dirèk pou transfè chaj ultrarapid ant kouch epitaxial ki aliye yo, ki konfime premye endikasyon ki baze sou tout teknik optik nan heterostructures ki sanble manyèlman reyini ak aliyman azimutal abitrè kouch yo (9-15). Anplis de sa, nou montre ke transfè chaj sa a trè asimetri. Mezi nou yo revele yon eta pasajè ki te separe ak chaj ki pa t obsève anvan ak elektwon fotoeksite ak twou ki sitiye nan kouch WS2 ak grafèn, respektivman, ki viv pou ~ 1 ps. Nou entèprete rezilta nou yo an tèm de diferans ki genyen nan espas faz gaye pou transfè elèktron ak twou ki te koze pa aliyman relatif WS2 ak bann grafèn kòm revele pa wo rezolisyon ARPES. Konbine ak eksitasyon optik vire ak vale-selektif (22-25) WS2 / grafèn heterostructures ta ka bay yon nouvo platfòm pou piki efikas ultrarapid optik vire nan grafèn.
Figi 1A montre yon gwo rezolisyon ARPES mezi yo jwenn ak yon lanp elyòm nan estrikti gwoup la ansanm ΓK-direksyon epitaxial WS2 / grafèn heterostructure la. Yo jwenn kòn Dirac nan twou-dope ak pwen Dirac ki sitiye ∼0.3 eV pi wo pase potansyèl chimik ekilib la. Yo jwenn tèt gwoup valens WS2 vire-fann lan se ∼1.2 eV pi ba pase potansyèl chimik ekilib la.
(A) Ekilib fotokouran mezire nan direksyon ΓK ak yon lanp elyòm ki pa polarize. (B) Photocurrent pou reta ponp-sond negatif mezire ak p-polarized ekstrèm pulsasyon iltravyolèt nan enèji foton 26-eV. Liy tirè gri ak wouj make pozisyon pwofil liy yo itilize pou ekstrè pozisyon pik tranzitwa yo nan Fig. 2. (C) Chanjman fotokouran 200 fs ki lakòz ponp yo apre fotoexcitation nan yon enèji foton ponp 2 eV ak yon fluence ponp. nan 2 mJ/cm2. Akeri ak pèt foto-elektron yo montre nan wouj ak ble, respektivman. Bwat yo endike zòn entegrasyon pou tras ponp-sond ki parèt nan Fig. 3.
Figi 1B montre yon snapshot tr-ARPES nan estrikti gwoup la tou pre WS2 a ak grafèn K-pwen mezire ak 100-fs ekstrèm pulsasyon iltravyolèt nan enèji foton 26-eV nan reta ponp-sond negatif anvan rive nan batman kè ponp lan. Isit la, divize an vire pa rezoud paske nan degradasyon echantiyon ak prezans nan batman ponp lan 2-eV ki lakòz chaj espas elaji nan karakteristik yo espèk. Figi 1C montre chanjman fotokouran an ki pwovoke ponp yo anrapò ak Figi 1B nan yon reta ponp-sond 200 fs kote siyal ponp-sond la rive nan maksimòm li. Koulè wouj ak ble endike benefis ak pèt foto-elektron, respektivman.
Pou analize dinamik rich sa a an plis detay, nou premye detèmine pozisyon pik tranzitwa gwoup valens WS2 ak grafèn π-band sou liy tirè yo nan Figi 1B jan yo eksplike sa an detay nan Materyèl siplemantè yo. Nou jwenn ke bann valens WS2 la deplase pa 90 meV (Fig. 2A) ak grafèn π-band la deplase desann pa 50 meV (Fig. 2B). Yo jwenn lavi eksponansyèl chanjman sa yo 1.2 ± 0.1 ps pou gwoup valens WS2 ak 1.7 ± 0.3 ps pou grafèn π-band la. Chanjman pik sa yo bay premye prèv ki montre yon chaj pasajè nan de kouch yo, kote plis chaj pozitif (negatif) ogmante (diminye) enèji obligatwa eta elektwonik yo. Remake byen ke upshift la nan bann valence WS2 a responsab pou siyal ponp-sond enpòtan nan zòn ki make pa bwat nwa a nan Figi 1C.
Chanjman nan pozisyon pik nan gwoup valens WS2 (A) ak grafèn π-band (B) kòm yon fonksyon delè ponp-sond ansanm ak adapte eksponansyèl (liy epè). Tout lavi chanjman WS2 nan (A) se 1.2 ± 0.1 ps. Tout lavi chanjman grafèn nan (B) se 1.7 ± 0.3 ps.
Apre sa, nou entegre siyal ponp-sond la sou zòn ki endike nan bwat ki gen koulè yo nan Fig. 1C epi trase konte yo kòm yon fonksyon delè ponp-sond nan Fig. 3. Koub 1 nan Fig. 3 montre dinamik nan. transpòtè photoexcited tou pre anba a nan gwoup la kondiksyon nan kouch WS2 a ak yon lavi nan 1.1 ± 0.1 ps jwenn nan yon eksponansyèl anfòm ak done yo (gade Materyèl siplemantè yo).
Tras ponp-sond kòm yon fonksyon reta jwenn nan entegre fotokouran an sou zòn ki endike nan bwat ki nan Fig. 1C. Liy epè yo adapte eksponansyèl nan done yo. Koub (1) Popilasyon transpòtè pasajè nan gwoup kondiksyon WS2. Koub (2) Ponp-sond siyal π-band grafèn ki anlè potansyèl chimik ekilib la. Koub (3) Siyal ponp-sond nan π-band grafèn ki anba a potansyèl chimik ekilib la. Koub (4) Net ponp-sond siyal nan gwoup valens WS2. Vi yo jwenn 1.2 ± 0.1 ps nan (1), 180 ± 20 fs (gain) ak ∼2 ps (pèt) nan (2), ak 1.8 ± 0.2 ps nan (3).
Nan koub 2 ak 3 nan Fig. 3, nou montre siyal ponp-sond nan grafèn π-band la. Nou jwenn ke genyen elektwon ki pi wo a potansyèl chimik ekilib la (kob 2 nan Fig. 3) gen yon lavi ki pi kout (180 ± 20 fs) konpare ak pèt elektwon ki anba a potansyèl chimik ekilib (1.8 ± 0.2 ps nan koub 3). Fig. 3). Anplis de sa, yo jwenn premye pwogrè fotokouran an nan koub 2 Fig. 3 la vin tounen pèt nan t = 400 fs ak yon lavi apeprè 2 ps. Yo jwenn asimetri ki genyen ant benefis ak pèt nan siyal ponp-sond nan grafèn monokouch dekouvwi (gade fig. S5 nan Materyèl siplemantè), ki endike ke asimetri a se yon konsekans kouple interlayer nan heterostructure WS2 / grafèn. Obsèvasyon yon benefis ki dire lontan ak yon pèt ki dire lontan anlè ak anba potansyèl chimik ekilib la, respektivman, endike ke elektwon yo retire avèk efikasite nan kouch grafèn nan sou fotoexcitation nan heterostructure a. Kòm yon rezilta, kouch grafèn nan vin chaje pozitivman, ki konsistan avèk ogmantasyon nan enèji obligatwa nan π-band yo te jwenn nan Figi 2B. Deplasman π-band la retire ke gwo enèji distribisyon Fermi-Dirac ekilib la soti anwo potansyèl chimik ekilib la, ki an pati eksplike chanjman siy siyal ponp-sond la nan koub 2 Fig. 3. Nou pral montre anba a ke efè sa a se plis amelyore pa pèt la pasajè nan elektwon nan π-band la.
Senaryo sa a sipòte pa siyal net ponp-sond bann valens WS2 a nan koub 4 nan Fig. 3. Done sa yo te jwenn nan entegre konte yo sou zòn ki bay nan bwat nwa a nan Fig. 1B ki kaptire elektwon yo fotoemèt soti nan. bann valens nan tout reta ponp-sond. Nan ba erè eksperimantal yo, nou pa jwenn okenn endikasyon pou prezans twou nan gwoup valens WS2 pou nenpòt reta ponp-sond. Sa a endike ke, apre fotoexcitation, twou sa yo rapidman ranpli sou yon echèl tan kout konpare ak rezolisyon tanporèl nou an.
Pou bay prèv final pou ipotèz separasyon chaj ultrarapid nou an nan heterostructure WS2/grafèn, nou detèmine kantite twou ki transfere nan kouch grafèn nan jan sa dekri an detay nan Materyèl siplemantè yo. Nan ti bout tan, distribisyon elektwonik pasajè π-band la te ekipe ak yon distribisyon Fermi-Dirac. Lè sa a, kantite twou yo te kalkile nan valè yo ki kapab lakòz pou potansyèl la chimik pasajè ak tanperati elektwonik. Yo montre rezilta a nan Fig. 4. Nou jwenn yon kantite total ~5 × 1012 twou/cm2 transfere soti nan WS2 nan grafèn ak yon lavi eksponansyèl 1.5 ± 0.2 ps.
Chanjman kantite twou nan π-band la kòm yon fonksyon delè ponp-sond ansanm ak anfòm eksponansyèl ki bay yon lavi 1.5 ± 0.2 ps.
Soti nan konklizyon yo nan Fig. 2 a 4, foto mikwoskopik sa a pou transfè chaj ultrarapid nan heterostructure WS2/grafèn parèt (figi 5). Photoexcitation nan heterostructure WS2 / grafèn nan 2 eV dominanman peple A-exciton nan WS2 (Fig. 5A). Lòt eksitasyon elektwonik atravè pwen Dirac nan grafèn ak ant WS2 ak bann grafèn yo se enèjikman posib men konsiderableman mwens efikas. Twou fotoexcited nan gwoup valens WS2 yo ranpli pa elektwon ki soti nan grafèn π-band la sou yon echèl tan kout konpare ak rezolisyon tanporèl nou an (Fig. 5A). Elektwon yo fotoexcite nan gwoup la kondiksyon nan WS2 gen yon lavi nan ~ 1 ps (Fig. 5B). Sepandan, li pran ~ 2 ps pou ranpli twou yo nan grafèn π-band la (Fig. 5B). Sa a endike ke, apa de transfè elèktron dirèk ant gwoup la kondiksyon WS2 ak grafèn π-band la, plis chemen detant - pètèt atravè eta defo (26) - bezwen konsidere yo konprann dinamik yo plen.
(A) Photoexcitation nan sonorite nan WS2 A-exciton nan 2 eV enjekte elektwon nan gwoup la kondiksyon nan WS2. Twou korespondan yo nan gwoup valens WS2 yo imedyatman ranpli pa elektwon ki soti nan grafèn π-band la. (B) transpòtè yo fotoexcited nan gwoup la kondiksyon nan WS2 gen yon lavi nan ~ 1 ps. Twou yo nan grafèn π-band la ap viv pou ~ 2 ps, sa ki endike enpòtans ki genyen nan chanèl dispèsyon adisyonèl endike nan flèch tirè. Liy nwa tirè nan (A) ak (B) endike chanjman gwoup ak chanjman nan potansyèl chimik. (C) Nan eta a pasajè, kouch WS2 a chaje negatif pandan y ap kouch grafèn a chaje pozitivman. Pou eksitasyon vire-selektif ak limyè sikilè polarize, elektwon yo fotoexcite nan WS2 ak twou korespondan yo nan grafèn yo espere montre polarizasyon vire opoze.
Nan eta a pasajè, elektwon yo fotoexcited abite nan gwoup la kondiksyon nan WS2 pandan y ap twou yo fotoexcited yo sitiye nan π-band nan grafèn (Fig. 5C). Sa vle di ke kouch WS2 a chaje negatif epi kouch grafèn nan chaje pozitivman. Sa a kont pou chanjman pik pasajè yo (figi 2), asimetri siyal ponp-sond grafèn (kob 2 ak 3 nan figi 3), absans twou nan gwoup valens WS2 (kob 4 Fig. 3) , osi byen ke twou yo adisyonèl nan grafèn π-band la (figi 4). Viv eta ki separe ak chaj sa a se ∼1 ps (kob 1 Fig. 3).
Yo te obsève eta pasajè ki separe ak chaj ki sanble nan etewostrikti van der Waals ki te fèt ak de semi-conducteurs dirèk ak aliyman gwoup II ak bandgap depale (27-32). Apre fotoexcitation, elektwon yo ak twou yo te jwenn rapidman deplase nan pati anba a nan gwoup la kondiksyon ak nan tèt la nan gwoup la valans, respektivman, ki sitiye nan diferan kouch heterostructure a (27-32).
Nan ka a nan heterostructure WS2/grafèn nou an, kote enèjik ki pi favorab pou tou de elektwon ak twou se nan nivo Fermi nan kouch grafèn metalik la. Se poutèt sa, yon moun ta espere ke tou de elektwon ak twou rapidman transfere nan grafèn π-band la. Sepandan, mezi nou yo montre klèman ke transfè twou (<200 fs) pi efikas pase transfè elèktron (∼1 ps). Nou atribiye sa a aliyman enèjik relatif nan WS2 a ak bann grafèn yo jan yo revele nan Fig. 1A ki ofri yon pi gwo kantite eta final ki disponib pou transfè twou konpare ak transfè elèktron kòm dènyèman antisipe pa (14, 15). Nan ka sa a, sipoze yon bandgap ~ 2 eV WS2, pwen grafèn Dirac ak potansyèl chimik ekilib yo sitiye ~ 0.5 ak ~ 0.2 eV pi wo a mitan bandgap WS2 a, respektivman, kraze simetri elèktron-twou. Nou jwenn ke kantite eta final ki disponib pou transfè twou se ~ 6 fwa pi gwo pase pou transfè elèktron (gade Materyèl siplemantè yo), ki se poukisa transfè twou yo espere pi vit pase transfè elèktron.
Yon foto mikwoskopik konplè sou transfè chaj asimetri ultrarapid obsève a ta dwe, sepandan, konsidere tou sipèpoze ant orbital yo ki konstitye fonksyon vag A-exciton nan WS2 ak grafèn π-band, respektivman, diferan elèktron-elektron ak elèktron-fonon gaye. chanèl ki gen ladan kontrent yo enpoze pa momantòm, enèji, vire, ak konsèvasyon pseudospin, enfliyans nan osilasyon plasma (33), osi byen ke wòl nan yon eksitasyon posib displacive nan osilasyon fonon aderan ki ta ka medyatè transfè chaj la (34, 35). Epitou, yon moun ta ka espekile si eta transfè chaj obsève a konsiste de eksiton transfè chaj oswa pè elèktron-twou gratis (gade Materyèl siplemantè yo). Plis envestigasyon teyorik ki ale pi lwen pase sijè ki abòde dokiman sa a yo oblije klarifye pwoblèm sa yo.
An rezime, nou te itilize tr-ARPES pou etidye transfè chaj interlayer ultrarapid nan yon heterostructure epitaxial WS2/graphene. Nou te jwenn ke, lè eksite nan sonorite nan A-exciton nan WS2 nan 2 eV, twou yo fotoexcited rapidman transfere nan kouch grafèn nan pandan y ap elektwon yo fotoexcited rete nan kouch WS2 la. Nou atribiye sa a nan lefèt ke kantite eta final ki disponib pou transfè twou pi gwo pase pou transfè elèktron. Yo te jwenn lavi eta transitwa ki separe ak chaj la se ~1 ps. An konbinezon ak eksitasyon optik vire-selektif lè l sèvi avèk limyè sikilè polarize (22-25), transfè chaj ultrarapid obsève a ta ka akonpaye pa transfè vire. Nan ka sa a, yo ka itilize heterostructure WS2 / grafèn envestige a pou piki efikas optik vire nan grafèn ki lakòz nouvo aparèy optospintronic.
Echantiyon grafèn yo te grandi sou semiconducting komèsyal 6H-SiC (0001) wafers nan SiCrystal GmbH. Wafers N-dope yo te sou-aks ak yon miscut anba a 0.5 °. Substra SiC la te grave idwojèn pou retire reyur epi jwenn teras plat regilye. Lè sa a, pwòp ak atomik plat Si-tèmine sifas la te grafitize pa annealing echantiyon an nan atmosfè Ar nan 1300 ° C pou 8 min (36). Nan fason sa a, nou te jwenn yon sèl kouch kabòn kote chak twazyèm atòm kabòn te fòme yon lyezon kovalan ak substra SiC la (37). Lè sa a, kouch sa a te tounen konplètman sp2-hybridized quasi-free-standing twou-dope grafèn atravè entèkalasyon idwojèn (38). Echantiyon sa yo refere yo kòm grafèn / H-SiC (0001). Tout pwosesis la te pote soti nan yon chanm komèsyal nwa majik kwasans soti nan Aixtron. Kwasans WS2 a te pote soti nan yon raktor estanda cho-miray pa depo vapè chimik ba-presyon (39, 40) lè l sèvi avèk WO3 ak S poud ak yon rapò mas nan 1:100 kòm précurseur. WO3 ak S poud yo te kenbe nan 900 ak 200 ° C, respektivman. Yo te mete poud WO3 la tou pre substra a. Agon te itilize kòm gaz transpòtè ak yon koule nan 8 sccm. Presyon nan raktor la te kenbe nan 0.5 mbar. Echantiyon yo te karakterize ak mikwoskòp elèktron segondè, mikwoskopi fòs atomik, Raman, ak spèktroskopi fotoluminesans, osi byen ke difraksyon elektwon ba-enèji. Mezi sa yo te revele de diferan domèn WS2 sèl-cristalin kote swa ΓK- oswa ΓK'-direksyon an ki aliyen ak ΓK-direksyon kouch grafèn lan. Longè bò domèn yo te varye ant 300 ak 700 nm, epi pwoteksyon total WS2 te apwoksimatif a ~ 40%, apwopriye pou analiz ARPES la.
Eksperyans estatik ARPES yo te fèt ak yon analizeur emisferik (SPECS PHOIBOS 150) lè l sèvi avèk yon sistèm aparèy-detektè chaj makonnen pou deteksyon ki genyen de dimansyon enèji elektwon ak momantòm. Yo te itilize radyasyon He Iα ki pa polarize, monokwomatik (21.2 eV) nan yon sous egzeyat segondè-flux He (VG Scienta VUV5000) pou tout eksperyans fotoemisyon. Enèji ak rezolisyon angilè nan eksperyans nou yo te pi bon pase 30 meV ak 0.3° (ki koresponn ak 0.01 Å−1), respektivman. Tout eksperyans yo te fèt nan tanperati chanm. ARPES se yon teknik ki trè sansib pou sifas yo. Pou voye foto-elektron nan tou de kouch WS2 ak grafèn, yo te itilize echantiyon ak yon kouvèti WS2 enkonplè nan ~ 40%.
Konfigirasyon tr-ARPES la te baze sou yon anplifikatè Titanium:Sapphire 1-kHz (Coherent Legend Elite Duo). Yo te itilize 2 mJ nan pwodiksyon pouvwa pou jenerasyon amonik segondè nan Agon. Limyè iltravyolèt ekstrèm ki te lakòz te pase nan yon monokromatè griyaj ki te pwodwi pulsasyon sond 100-fs nan enèji foton 26-eV. 8mJ nan pouvwa pwodiksyon anplifikatè yo te voye nan yon anplifikatè parametrik optik (HE-TOPAS soti nan konvèsyon limyè). Travès siyal la nan enèji foton 1-eV te double frekans nan yon kristal beta baryòm borat pou jwenn pulsasyon ponp 2-eV yo. Mezi tr-ARPES yo te fèt ak yon analizeur emisferik (SPECS PHOIBOS 100). Enèji an jeneral ak rezolisyon tanporèl te 240 meV ak 200 fs, respektivman.
Materyèl siplemantè pou atik sa a disponib nan http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
Sa a se yon atik aksè ouvè ki distribye dapre kondisyon lisans Creative Commons Attribution-NonCommercial, ki pèmèt itilizasyon, distribisyon ak repwodiksyon nan nenpòt mwayen, toutotan itilizasyon rezilta a pa pou avantaj komèsyal epi depi travay orijinal la byen. site.
REMAK: Nou mande adrès imel ou sèlman pou moun w ap rekòmande paj la konnen ke ou te vle yo wè li, e ke se pa lapòs indésirable. Nou pa pran okenn adrès imel.
Kesyon sa a se pou teste si wi ou non ou se yon vizitè imen ak pou anpeche otomatik soumèt spam.
Pa Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Nou revele separasyon chaj ultrarapid nan yon heterostructure WS2 / grafèn pètèt pèmèt piki optik vire nan grafèn.
Pa Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Nou revele separasyon chaj ultrarapid nan yon heterostructure WS2 / grafèn pètèt pèmèt piki optik vire nan grafèn.
© 2020 Asosyasyon Ameriken pou Avansman Syans. Tout dwa rezève. AAAS se yon patnè HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ak COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Tan poste: Me-25-2020