Էպիտաքսիալ WS2/գրաֆենային հետերոկառուցվածքներում արդյունավետ գերարագ լիցքի բաժանման ուղղակի ապացույցներ

Մենք օգտագործում ենք ժամանակի և անկյունային լուծմամբ լուսաէմիսիոն սպեկտրոսկոպիա (tr-ARPES)՝ WS2 մոնաշերտից և գրաֆենից պատրաստված էպիտաքսիալ հետերոկառուցվածքում գերարագ լիցքի փոխանցումը հետազոտելու համար: Այս հետերոկառուցվածքը համատեղում է ուղիղ բացվածքով կիսահաղորդչի առավելությունները՝ ուժեղ սպին-ուղեծրային կապով և լույս-նյութի ուժեղ փոխազդեցությամբ, չափազանց բարձր շարժունակությամբ և երկար սպինային կյանքի տևողությամբ զանգվածազուրկ կրիչներ պարունակող կիսամետաղի առավելությունների հետ: Մենք պարզել ենք, որ WS2-ում A-էքսիտոնի հետ ռեզոնանսային լուսագրգռումից հետո լուսագրգռված անցքերը արագորեն տեղափոխվում են գրաֆենի շերտ, մինչդեռ լուսագրգռված էլեկտրոնները մնում են WS2 շերտում: Արդյունքում ստացված լիցքից բաժանված անցումային վիճակը ունի մոտ 1 պս կյանքի տևողություն: Մենք մեր արդյունքները վերագրում ենք WS2-ի և գրաֆենի գոտիների հարաբերական դասավորության պատճառով ցրման փուլային տարածության տարբերություններին, ինչպես ցույց է տվել բարձր լուծաչափով ARPES-ը: Սպին-ընտրողական օպտիկական գրգռման հետ համատեղ, հետազոտված WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքը կարող է հարթակ ապահովել գրաֆենի մեջ արդյունավետ օպտիկական սպինային ներարկման համար:

Երկչափ նյութերի բազմազանության առկայությունը հնարավորություն է տվել ստեղծել նորարարական, վերջնականապես բարակ հետերոկառուցվածքներ՝ լիովին նոր ֆունկցիոնալությամբ, որոնք հիմնված են հարմարեցված դիէլեկտրիկ էկրանավորման և տարբեր մոտիկությունից առաջացած էֆեկտների վրա (1–3): Իրականացվել են էլեկտրոնիկայի և օպտոէլեկտրոնիկայի ոլորտում ապագա կիրառությունների համար նախատեսված սկզբունքային ապացույցներ ապահովող սարքեր (4–6):

Այստեղ մենք կենտրոնանում ենք էպիտաքսիալ վան դեր Վալսի հետերոկառուցվածքների վրա, որոնք բաղկացած են մոնաշերտ WS2-ից, որը ուղիղ բացվածքով կիսահաղորդիչ է՝ ուժեղ սպին-ուղեծրային կապով և գոտու կառուցվածքի զգալի սպինային բաժանմամբ՝ խախտված ինվերսիայի համաչափության պատճառով (7), և մոնաշերտ գրաֆենից, որը կիսամետաղ է՝ կոնաձև գոտու կառուցվածքով և չափազանց բարձր կրիչի շարժունակությամբ (8), որը աճեցվել է ջրածնով ծայրակալված SiC(0001) վրա: Ուլտրաարագ լիցքի փոխանցման (9–15) և մոտիկությունից առաջացած սպին-ուղեծրային կապման էֆեկտների (16–18) առաջին ցուցումները WS2/գրաֆենը և նմանատիպ հետերոկառուցվածքները դարձնում են խոստումնալից թեկնածուներ ապագա օպտոէլեկտրոնային (19) և օպտոսպինտրոնային (20) կիրառությունների համար:

Մենք որոշեցինք բացահայտել WS2/գրաֆենում ֆոտոգեներացված էլեկտրոն-անցք զույգերի թուլացման ուղիները՝ ժամանակի և անկյան լուծմամբ ֆոտոէմիսիոն սպեկտրոսկոպիայի (tr-ARPES) միջոցով: Այդ նպատակով մենք գրգռում ենք հետերոկառուցվածքը WS2-ի A-էքսիտոնին ռեզոնանսող 2-էՎ պոմպային իմպուլսներով (21, 12) և արտանետում ենք ֆոտոէլեկտրոններ երկրորդ ժամանակի հետաձգմամբ զոնդի իմպուլսով՝ 26-էՎ ֆոտոնային էներգիայով: Մենք որոշում ենք ֆոտոէլեկտրոնների կինետիկ էներգիան և ճառագայթման անկյունը կիսագնդային վերլուծիչով՝ որպես պոմպ-զոնդի ուշացման ֆունկցիա՝ իմպուլսի, էներգիայի և ժամանակի լուծմամբ կրիչների դինամիկան տեսնելու համար: Էներգիայի և ժամանակի լուծաչափը համապատասխանաբար 240 մէՎ և 200 ֆվրկ է:

Մեր արդյունքները անմիջական ապացույցներ են տալիս էպիտաքսիալ դասավորված շերտերի միջև գերարագ լիցքի փոխանցման վերաբերյալ, հաստատելով նմանատիպ ձեռքով հավաքված հետերոկառուցվածքներում՝ շերտերի կամայական ազիմուտային դասավորվածությամբ (9–15): Բացի այդ, մենք ցույց ենք տալիս, որ այս լիցքի փոխանցումը խիստ ասիմետրիկ է: Մեր չափումները բացահայտում են նախկինում չդիտարկված լիցքով բաժանված անցումային վիճակ՝ համապատասխանաբար WS2 և գրաֆենային շերտերում տեղակայված լուսագրգռված էլեկտրոններով և անցքերով, որը գոյատևում է մոտ 1 պս: Մենք մեր արդյունքները մեկնաբանում ենք WS2 և գրաֆենային գոտիների հարաբերական դասավորվածությամբ պայմանավորված էլեկտրոնների և անցքերի փոխանցման ցրման փուլային տարածության տարբերությունների տեսանկյունից, ինչպես ցույց է տվել բարձր լուծաչափով ARPES-ը: Սպինի և հովտի ընտրողական օպտիկական գրգռման հետ համատեղ (22–25) WS2/գրաֆենային հետերոկառուցվածքները կարող են նոր հարթակ ապահովել գրաֆենի մեջ արդյունավետ գերարագ օպտիկական սպինային ներարկման համար:

Նկար 1A-ն ցույց է տալիս էպիտաքսիալ WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքի ΓK ուղղությամբ գոտու կառուցվածքի բարձր թույլտվությամբ ARPES չափումը հելիումային լամպով: Դիրակի կոնը անցքերով լեգիրված է՝ Դիրակի կետը գտնվում է հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից մոտ 0.3 էՎ բարձրության վրա: Սպին-բաժանման WS2 վալենտային գոտու գագաթնակետը գտնվում է հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից մոտ 1.2 էՎ ցածր:

(A) Հավասարակշռության լուսահոսք, չափված ΓK ուղղությամբ՝ ոչ բևեռացված հելիումային լամպով։ (B) Բացասական պոմպ-զոնդի ուշացման լուսահոսք, չափված p-բևեռացված ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն իմպուլսներով՝ 26-էՎ ֆոտոնային էներգիայով։ Նկար 2-ում անցումային գագաթնակետերի դիրքերը որոշելու համար օգտագործված գծային պրոֆիլների դիրքը նշվում է ընդհատվող մոխրագույն և կարմիր գծերով։ (C) Լուսահոսքի պոմպի կողմից առաջացած փոփոխությունները 200 ֆվրկ-ում՝ 2 էՎ պոմպի ֆոտոնային էներգիայով և 2 մՋ/սմ2 պոմպի հոսքով ֆոտոգրգռումից հետո։ Ֆոտոէլեկտրոնների ուժեղացումը և կորուստը համապատասխանաբար ներկայացված են կարմիր և կապույտ գույներով։ Վանդակները ցույց են տալիս Նկար 3-ում ցուցադրված պոմպ-զոնդի հետքերի ինտեգրման տարածքը։

Նկար 1B-ն ցույց է տալիս WS2-ի և գրաֆենի K-կետերին մոտ գտնվող գոտու կառուցվածքի tr-ARPES լուսանկարը, որը չափվել է 100 ֆվրկ ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն իմպուլսներով՝ 26 ֆվրկ ֆոտոնային էներգիայով, պոմպ-զոնդի բացասական ուշացման դեպքում՝ պոմպ-զոնդի ժամանումից առաջ: Այստեղ սպինի բաժանումը չի լուծվում նմուշի քայքայման և 2 էՎ պոմպ-զոնդի իմպուլսի առկայության պատճառով, որը առաջացնում է սպեկտրալ առանձնահատկությունների տարածական լիցքի լայնացում: Նկար 1C-ն ցույց է տալիս պոմպի կողմից առաջացած ֆոտոհոսանքի փոփոխությունները Նկար 1B-ի նկատմամբ՝ պոմպ-զոնդի 200 ֆվրկ ուշացման դեպքում, որտեղ պոմպ-զոնդի ազդանշանը հասնում է իր առավելագույնին: Կարմիր և կապույտ գույները համապատասխանաբար ցույց են տալիս ֆոտոէլեկտրոնների ուժեղացումը և կորուստը:

Այս հարուստ դինամիկան ավելի մանրամասն վերլուծելու համար մենք նախ որոշում ենք WS2 վալենտային գոտու և գրաֆենի π-գոտու անցողիկ գագաթնակետային դիրքերը Նկար 1B-ում նշված ընդհատ գծերի երկայնքով, ինչպես մանրամասն բացատրված է լրացուցիչ նյութերում: Մենք պարզում ենք, որ WS2 վալենտային գոտին տեղաշարժվում է վերև 90 մէՎ-ով (Նկար 2Ա), իսկ գրաֆենի π-գոտին՝ ներքև 50 մէՎ-ով (Նկար 2Բ): Այս տեղաշարժերի էքսպոնենցիալ կյանքի տևողությունը WS2-ի վալենտային գոտու համար կազմում է 1.2 ± 0.1 պսվրկ և գրաֆենի π-գոտու համար՝ 1.7 ± 0.3 պսվրկ: Այս գագաթնակետային տեղաշարժերը առաջին ապացույցն են երկու շերտերի անցողիկ լիցքավորման, որտեղ լրացուցիչ դրական (բացասական) լիցքը մեծացնում (նվազեցնում) է էլեկտրոնային վիճակների կապի էներգիան: Նկատի ունեցեք, որ WS2 վալենտային գոտու վերև տեղաշարժը պատասխանատու է Նկար 1C-ում սև արկղով նշված տարածքում պոմպ-զոնդի ակնառու ազդանշանի համար:

WS2 վալենտային գոտու (A) և գրաֆենի π-գոտու (B) գագաթնակետային դիրքի փոփոխությունը՝ որպես պոմպ-զոնդի ուշացման ֆունկցիա՝ էքսպոնենցիալ համապատասխանեցումների հետ միասին (հաստ գծեր): WS2 տեղաշարժի կյանքի տևողությունը (A)-ում 1.2 ± 0.1 պվրկ է: Գրաֆենի տեղաշարժի կյանքի տևողությունը (B)-ում 1.7 ± 0.3 պվրկ է:

Հաջորդը, մենք ինտեգրում ենք պոմպ-զոնդի ազդանշանը Նկար 1C-ում գունավոր վանդակներով նշված տարածքների վրա և արդյունքում ստացված հաշվարկները գծագրում ենք որպես պոմպ-զոնդի ուշացման ֆունկցիա Նկար 3-ում: Նկար 3-ի 1-ին կորը ցույց է տալիս WS2 շերտի հաղորդականության գոտու հատակին մոտ գտնվող լուսագրգռված կրիչների դինամիկան՝ 1.1 ± 0.1 պվրկ կյանքի տևողությամբ, որը ստացվել է տվյալներին էքսպոնենցիալ համապատասխանեցումից (տե՛ս լրացուցիչ նյութերը):

Պոմպ-զոնդի հետքերը որպես ուշացման ֆունկցիա, որոնք ստացվում են լուսանկարի հոսանքի ինտեգրմամբ Նկար 1C-ում վանդակներով նշված տարածքի վրա: Հաստ գծերը տվյալների նկատմամբ էքսպոնենցիալ համապատասխանություններն են: Կոր (1) WS2-ի հաղորդականության գոտում անցողիկ կրողների բնակչություն: Կոր (2) Գրաֆենի π-գոտու պոմպ-զոնդի ազդանշանը հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից վեր: Կոր (3) Գրաֆենի π-գոտու պոմպ-զոնդի ազդանշանը հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից ցածր: Կոր (4) WS2-ի վալենտային գոտում պոմպ-զոնդի զուտ ազդանշանը: Կյանքի տևողությունները (1)-ում կազմում են 1.2 ± 0.1 պվ, (2)-ում՝ 180 ± 20 ֆվ (ուժեղացում) և ~2 պվ (կորուստ) և (3)-ում՝ 1.8 ± 0.2 պվ:

Նկար 3-ի 2-րդ և 3-րդ կորերում մենք ցույց ենք տալիս գրաֆենի π-գոտու պոմպ-զոնդի ազդանշանը: Մենք պարզում ենք, որ հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից բարձր էլեկտրոնների ուժեղացումը (նկ. 3-ի 2-րդ կորը) ունի շատ ավելի կարճ կյանքի տևողություն (180 ± 20 fs)՝ համեմատած հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից ցածր էլեկտրոնների կորստի հետ (նկ. 3-ի 3-րդ կորում 1.8 ± 0.2 ps): Ավելին, Նկար 3-ի 2-րդ կորում լուսահոսքի սկզբնական ուժեղացումը վերածվում է կորստի t = 400 fs-ում՝ մոտ 2 ps կյանքի տևողությամբ: Ուժի և կորստի միջև ասիմետրիան բացակայում է չծածկված մոնաշերտ գրաֆենի պոմպ-զոնդի ազդանշանում (տե՛ս նկար S5-ը լրացուցիչ նյութերում), ինչը ցույց է տալիս, որ ասիմետրիան WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում շերտերի միջև կապի հետևանք է: Հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից վերև և ներքև կարճատև աճի և երկարատև կորստի դիտարկումը, համապատասխանաբար, ցույց է տալիս, որ էլեկտրոնները արդյունավետորեն հեռացվում են գրաֆենի շերտից հետերոկառուցվածքի լուսագրգռման ժամանակ։ Արդյունքում, գրաֆենի շերտը դառնում է դրական լիցքավորված, ինչը համապատասխանում է Նկար 2B-ում նշված π-շերտի կապի էներգիայի աճին։ π-շերտի ներքև տեղաշարժը հեռացնում է Ֆերմի-Դիրակի հավասարակշռության բաշխման բարձր էներգիայի պոչը հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալից վերև, ինչը մասամբ բացատրում է պոմպ-զոնդ ազդանշանի նշանի փոփոխությունը Նկար 3-ի 2-րդ կորում։ Ստորև մենք կցույց տանք, որ այս էֆեկտն ավելի է ուժեղանում π-շերտում էլեկտրոնների անցողիկ կորստով։

Այս սցենարը հաստատվում է Նկար 3-ի կոր 4-ում WS2 վալենտային գոտու զուտ պոմպ-զոնդի ազդանշանով։ Այս տվյալները ստացվել են Նկար 1B-ի սև արկղի կողմից տրված մակերեսի վրա հաշվարկները ինտեգրելով, որը որսում է վալենտային գոտուց լուսարձակված էլեկտրոնները պոմպ-զոնդի բոլոր ուշացումների դեպքում։ Փորձարարական սխալի սյուների շրջանակներում մենք չենք գտնում WS2-ի վալենտային գոտում անցքերի առկայության որևէ ցուցում պոմպ-զոնդի որևէ ուշացման դեպքում։ Սա ցույց է տալիս, որ լուսագրգռումից հետո այս անցքերը արագորեն լցվում են մեր ժամանակային լուծաչափի համեմատ կարճ ժամանակահատվածում։

WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում գերարագ լիցքի բաժանման մեր վարկածի վերջնական ապացույցը ապահովելու համար մենք որոշում ենք գրաֆենի շերտին փոխանցված անցքերի քանակը, ինչպես մանրամասն նկարագրված է լրացուցիչ նյութերում: Ամփոփելով՝ π-գոտու անցողիկ էլեկտրոնային բաշխումը համապատասխանում էր Ֆերմի-Դիրակի բաշխմանը: Այնուհետև անցքերի քանակը հաշվարկվել է անցողիկ քիմիական պոտենցիալի և էլեկտրոնային ջերմաստիճանի ստացված արժեքներից: Արդյունքը ցույց է տրված Նկար 4-ում: Մենք պարզում ենք, որ WS2-ից գրաֆենին փոխանցվել է մոտ 5 × 1012 անցքեր/սմ2 ընդհանուր քանակ՝ 1.5 ± 0.2 պվրկ էքսպոնենցիալ կյանքի տևողությամբ:

π-գոտու անցքերի քանակի փոփոխությունը՝ որպես պոմպ-զոնդի ուշացման ֆունկցիա՝ էքսպոնենցիալ համապատասխանության հետ միասին, տալիս է 1.5 ± 0.2 պվրկ կյանքի տևողություն։

Նկար 2-ից 4-ում ներկայացված արդյունքներից երևում է WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում գերարագ լիցքի փոխանցման հետևյալ մանրադիտակային պատկերը (Նկար 5): WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքի 2 էՎ-ով լուսագրգռումը գերիշխող կերպով լցնում է WS2-ի A-էքսիտոնը (Նկար 5Ա): Գրաֆենում Դիրակի կետի երկայնքով, ինչպես նաև WS2-ի և գրաֆենի գոտիների միջև լրացուցիչ էլեկտրոնային գրգռումները էներգետիկորեն հնարավոր են, բայց զգալիորեն պակաս արդյունավետ: WS2-ի վալենտային գոտու լուսագրգռված անցքերը լիցքավորվում են գրաֆենի π-գոտու էլեկտրոններով՝ մեր ժամանակային լուծաչափի համեմատ կարճ ժամանակահատվածում (Նկար 5Ա): WS2-ի հաղորդչական գոտու լուսագրգռված էլեկտրոններն ունեն մոտ 1 պվրկ կյանքի տևողություն (Նկար 5Բ): Այնուամենայնիվ, գրաֆենի π-գոտու անցքերը լիցքավորելու համար պահանջվում է մոտ 2 պվրկ (Նկար 5Բ): Սա ցույց է տալիս, որ WS2 հաղորդչական գոտու և գրաֆենի π-գոտու միջև էլեկտրոնների ուղղակի փոխանցումից բացի, ամբողջական դինամիկան հասկանալու համար անհրաժեշտ է հաշվի առնել լրացուցիչ թուլացման ուղիներ՝ հնարավոր է՝ արատավոր վիճակների միջոցով (26):

(Ա) WS2 A-էքսիտոնի հետ ռեզոնանսային լուսագրգռումը 2 էՎ-ով էլեկտրոններ է ներարկում WS2-ի հաղորդչական գոտի։ WS2-ի վալենտային գոտու համապատասխան անցքերը անմիջապես լցվում են գրաֆենի π-գոտու էլեկտրոններով։ (Բ) WS2-ի հաղորդչական գոտու լուսագրգռված կրիչները ունեն մոտ 1 պվրկ կյանքի տևողություն։ Գրաֆենի π-գոտու անցքերը ապրում են մոտ 2 պվրկ, ինչը ցույց է տալիս կետավոր նետերով նշված լրացուցիչ ցրման ալիքների կարևորությունը։ (Ա) և (Բ) կետերում սև կետավոր գծերը ցույց են տալիս գոտիների տեղաշարժերը և քիմիական պոտենցիալի փոփոխությունները։ (Գ) Անցումային վիճակում WS2 շերտը բացասական լիցքավորված է, մինչդեռ գրաֆենի շերտը՝ դրական։ Շրջանաձև բևեռացված լույսով սպին-ընտրողական գրգռման դեպքում WS2-ի լուսագրգռված էլեկտրոնները և գրաֆենի համապատասխան անցքերը, ենթադրաբար, ցույց կտան հակառակ սպինային բևեռացում։

Անցումային վիճակում լուսագրգռված էլեկտրոնները գտնվում են WS2-ի հաղորդական գոտում, մինչդեռ լուսագրգռված անցքերը գտնվում են գրաֆենի π-գոտու մեջ (Նկ. 5C): Սա նշանակում է, որ WS2 շերտը բացասական լիցքավորված է, իսկ գրաֆենի շերտը՝ դրական: Սա բացատրում է անցումային գագաթնակետային տեղաշարժերը (Նկ. 2), գրաֆենի պոմպ-զոնդի ազդանշանի ասիմետրիան (Նկ. 3-ի 2 և 3 կորերը), WS2-ի վալենտային գոտում անցքերի բացակայությունը (կոր 4, Նկ. 3), ինչպես նաև գրաֆենի π-գոտու լրացուցիչ անցքերը (Նկ. 4): Այս լիցքով բաժանված վիճակի կյանքի տևողությունը մոտ 1 պվրկ է (կոր 1, Նկ. 3):

Նմանատիպ լիցքով բաժանված անցումային վիճակներ են դիտարկվել նաև վան դեր Վալսի հետերոկառուցվածքներում, որոնք կազմված են երկու ուղիղ բացվածքով կիսահաղորդիչներից՝ II տիպի գոտիների դասավորվածությամբ և աստիճանական բացվածքով (27–32): Ֆոտոգրծումից հետո էլեկտրոններն ու անցքերը արագորեն շարժվում են համապատասխանաբար հաղորդականության գոտու ներքևի և վալենտային գոտու վերևի մասերով, որոնք գտնվում են հետերոկառուցվածքի տարբեր շերտերում (27–32):

Մեր WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքի դեպքում, էլեկտրոնների և անցքերի համար էներգետիկորեն ամենահարմար դիրքը մետաղական գրաֆենի շերտի Ֆերմիի մակարդակն է։ Հետևաբար, կարելի է ակնկալել, որ էլեկտրոնները և անցքերը արագորեն տեղափոխվեն գրաֆենի π-գոտի։ Այնուամենայնիվ, մեր չափումները հստակ ցույց են տալիս, որ անցքերի փոխանցումը (<200 fs) շատ ավելի արդյունավետ է, քան էլեկտրոնների փոխանցումը (~1 ps)։ Մենք սա վերագրում ենք WS2-ի և գրաֆենի գոտիների համեմատական ​​էներգետիկ դասավորվածությանը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1A-ում, որն առաջարկում է անցքերի փոխանցման համար հասանելի վերջնական վիճակների ավելի մեծ քանակ՝ համեմատած էլեկտրոնների փոխանցման հետ, ինչպես վերջերս կանխատեսվել էր (14, 15) կողմից։ Այս դեպքում, ենթադրելով ~2 eV WS2 գոտու բաց, գրաֆենի Դիրակի կետը և հավասարակշռության քիմիական պոտենցիալը գտնվում են համապատասխանաբար WS2 գոտու բացի կենտրոնից ~0.5 և ~0.2 eV վերև՝ խախտելով էլեկտրոն-անցքի սիմետրիան։ Մենք պարզում ենք, որ անցքերի փոխանցման համար հասանելի վերջնական վիճակների քանակը մոտ 6 անգամ ավելի մեծ է, քան էլեկտրոնների փոխանցմանըը (տե՛ս լրացուցիչ նյութերը), այդ իսկ պատճառով անցքերի փոխանցումը, ենթադրաբար, ավելի արագ կլինի, քան էլեկտրոնների փոխանցումը։

Սակայն դիտարկվող գերարագ ասիմետրիկ լիցքի փոխանցման ամբողջական մանրադիտակային պատկերը պետք է հաշվի առնի նաև WS2-ում A-էքսիտոնային ալիքային ֆունկցիան կազմող օրբիտալների և գրաֆենի π-շերտի համընկնումը, համապատասխանաբար, տարբեր էլեկտրոն-էլեկտրոն և էլեկտրոն-ֆոնոն ցրման ալիքները, ներառյալ իմպուլսի, էներգիայի, սպինի և կեղծ-սպինի պահպանման կողմից պարտադրված սահմանափակումները, պլազմային տատանումների ազդեցությունը (33), ինչպես նաև լիցքի փոխանցմանը միջնորդող կոհերենտ ֆոնոնային տատանումների հնարավոր տեղաշարժային գրգռման դերը (34, 35): Կարելի է նաև ենթադրել, թե արդյոք դիտարկվող լիցքի փոխանցման վիճակը բաղկացած է լիցքի փոխանցման էքսիտոններից, թե՞ ազատ էլեկտրոն-անցք զույգերից (տե՛ս լրացուցիչ նյութերը): Այս հարցերը պարզաբանելու համար անհրաժեշտ են հետագա տեսական հետազոտություններ, որոնք դուրս են գալիս ներկայիս հոդվածի շրջանակներից:

Ամփոփելով՝ մենք օգտագործել ենք tr-ARPES-ը՝ WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում էպիտաքսիալ միջշերտային լիցքի գերարագ փոխանցումն ուսումնասիրելու համար: Մենք պարզել ենք, որ WS2-ի A-էքսիտոնի նկատմամբ 2 էՎ ռեզոնանսի դեպքում գրգռվելիս, լուսագրգռված անցքերը արագորեն տեղափոխվում են գրաֆենի շերտ, մինչդեռ լուսագրգռված էլեկտրոնները մնում են WS2 շերտում: Մենք սա վերագրել ենք այն փաստին, որ անցքերի փոխանցման համար հասանելի վերջնական վիճակների քանակը ավելի մեծ է, քան էլեկտրոնների փոխանցմանը: Լիցքից բաժանված անցումային վիճակի կյանքի տևողությունը կազմել է մոտ 1 պվ: Սպինային ընտրողական օպտիկական գրգռման հետ համատեղ՝ օգտագործելով շրջանաձև բևեռացված լույս (22–25), դիտարկվող գերարագ լիցքի փոխանցումը կարող է ուղեկցվել սպինային փոխանցմամբ: Այս դեպքում, հետազոտված WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքը կարող է օգտագործվել գրաֆենի մեջ արդյունավետ օպտիկական սպինային ներարկման համար, ինչը հանգեցնում է նորարարական օպտոսպինտրոնիկ սարքերի ստեղծմանը:

Գրաֆենի նմուշները աճեցվել են SiCrystal GmbH ընկերության առևտրային կիսահաղորդչային 6H-SiC(0001) վաֆլիների վրա: N-լեգիրված վաֆլիները գտնվում էին առանցքի վրա՝ 0.5°-ից ցածր սխալ կտրվածքով: SiC հիմքը ջրածնային փորագրվել է՝ քերծվածքները հեռացնելու և կանոնավոր հարթ տեռասներ ստանալու համար: Մաքուր և ատոմապես հարթ Si-ով ծայրակալված մակերեսը այնուհետև գրաֆիտացվել է՝ նմուշը Ar մթնոլորտում 1300°C ջերմաստիճանում 8 րոպե թրծելով (36): Այսպիսով, մենք ստացել ենք մեկ ածխածնային շերտ, որտեղ յուրաքանչյուր երրորդ ածխածնի ատոմը կովալենտային կապ է առաջացրել SiC հիմքի հետ (37): Այս շերտը այնուհետև վերածվել է լիովին sp2-հիբրիդացված կիսաազատ կանգնած անցքերով լեգիրված գրաֆենի՝ ջրածնային ինտերկալացիայի միջոցով (38): Այս նմուշները կոչվում են գրաֆեն/H-SiC(0001): Ամբողջ գործընթացը իրականացվել է Aixtron ընկերության առևտրային Black Magic աճեցման խցիկում: WS2-ի աճը իրականացվել է ստանդարտ տաք պատերով ռեակտորում՝ ցածր ճնշման քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով (39, 40)՝ օգտագործելով WO3 և S փոշիներ՝ 1:100 զանգվածային հարաբերակցությամբ որպես նախորդ նյութեր: WO3 և S փոշիները պահվել են համապատասխանաբար 900 և 200°C ջերմաստիճաններում: WO3 փոշին տեղադրվել է հիմքին մոտ: Արգոնն օգտագործվել է որպես կրող գազ՝ 8 sccm հոսքով: Ռեակտորում ճնշումը պահպանվել է 0.5 մբար: Նմուշները բնութագրվել են երկրորդային էլեկտրոնային մանրադիտակով, ատոմային ուժային մանրադիտակով, Ռամանի և ֆոտոլյումինեսցենցիայի սպեկտրոսկոպիայով, ինչպես նաև ցածր էներգիայի էլեկտրոնային դիֆրակցիայով: Այս չափումները բացահայտել են WS2 երկու տարբեր միաբյուրեղային տիրույթներ, որտեղ կամ ΓK-, կամ ΓK'-ուղղությունը համընկնում է գրաֆենի շերտի ΓK-ուղղության հետ: Դոմենի կողմերի երկարությունները տատանվում էին 300-ից 700 նմ-ի սահմաններում, իսկ WS2-ի ընդհանուր ծածկույթը մոտավորապես կազմում էր մոտ 40%, ինչը հարմար էր ARPES վերլուծության համար։

Ստատիկ ARPES փորձերը կատարվել են կիսագնդային վերլուծիչով (SPECS PHOIBOS 150)՝ օգտագործելով լիցք-զուգակցված սարք-դետեկտոր համակարգ՝ էլեկտրոնի էներգիայի և իմպուլսի երկչափ հայտնաբերման համար: Բոլոր լուսաէմիսիայի փորձերի համար օգտագործվել է բարձր հոսքի He պարպման աղբյուրի (VG Scienta VUV5000) ոչ բևեռացված, մոնոքրոմատիկ He Iα ճառագայթում (21.2 eV): Մեր փորձերի էներգիայի և անկյունային լուծաչափը համապատասխանաբար 30 մէՎ-ից և 0.3°-ից ավելի լավ էր (համապատասխանում է 0.01 Å−1-ի): Բոլոր փորձերը կատարվել են սենյակային ջերմաստիճանում: ARPES-ը չափազանց մակերևույթի նկատմամբ զգայուն տեխնիկա է: WS2-ից և գրաֆենի շերտից ֆոտոէլեկտրոններ դուրս մղելու համար օգտագործվել են մոտ 40% WS2 ծածկույթով նմուշներ:

tr-ARPES համակարգը հիմնված էր 1 կՀց հաճախականությամբ Titanium:Sapphire ուժեղացուցիչի (Coherent Legend Elite Duo) վրա: Արգոնում բարձր հարմոնիկաների առաջացման համար օգտագործվել է 2 մՋ ելքային հզորություն: Արդյունքում ստացված ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն լույսը անցել է ցանցային մոնոքրոմատորի միջով՝ առաջացնելով 100 ֆվրկ զոնդային իմպուլսներ 26 էՎ ֆոտոնային էներգիայով: Ամրացուցիչի ելքային հզորության 8 մՋ-ն ուղարկվել է օպտիկական պարամետրիկ ուժեղացուցիչի (HE-TOPAS՝ Light Conversion-ից): 1 էՎ ֆոտոնային էներգիայով ազդանշանային փունջը կրկնապատկվել է հաճախականությամբ բետա-բարիում բորատի բյուրեղում՝ 2 էՎ պոմպային իմպուլսներ ստանալու համար: tr-ARPES չափումները կատարվել են կիսագնդային վերլուծիչով (SPECS PHOIBOS 100): Ընդհանուր էներգետիկ և ժամանակային լուծաչափը համապատասխանաբար կազմել է 240 մէՎ և 200 ֆվրկ:

Այս հոդվածի լրացուցիչ նյութերը հասանելի են հետևյալ հղումով՝ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1

Սա բաց մուտքի իրավունքով հոդված է, որը տարածվում է Creative Commons Attribution-NonCommercial լիցենզիայի պայմաններով, որը թույլ է տալիս օգտագործել, տարածել և վերարտադրել ցանկացած միջավայրում, քանի դեռ արդյունքում ստացված օգտագործումը առևտրային առավելություն չէ և պայմանով, որ բնօրինակ աշխատանքը պատշաճ կերպով մեջբերված է։

ՆՇՈՒՄ. Մենք խնդրում ենք ձեր էլեկտրոնային փոստի հասցեն միայն այն նպատակով, որ այն անձը, որին դուք խորհուրդ եք տալիս էջը, իմանա, որ դուք ցանկանում եք, որ նա տեսնի այն, և որ դա անցանկալի փոստ չէ: Մենք որևէ էլեկտրոնային փոստի հասցե չենք գրանցում:

Այս հարցը նախատեսված է ստուգելու համար, թե արդյոք դուք մարդ եք, թե ոչ, և ավտոմատ սպամի ուղարկումները կանխելու համար։

Սվեն Էշլիմանի, Անտոնիո Ռոսիի, Մարիանա Չավես-Սերվանտեսի, Ռազվան Կրաուզեի, Բենիտո Առնոլդիի, Բենջամին Շտադտմյուլերի, Մարտին Էշլիմանի, Սթիվեն Ֆորտիի, Ֆիլիպո Ֆաբրիի, Կամիլա Կոլետտիի, Իզաբելլա Գիրցի կողմից։

Մենք բացահայտում ենք WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում գերարագ լիցքի տարանջատում, որը հնարավոր է հնարավորություն տա գրաֆենի մեջ օպտիկական սպինային ներարկում կատարել։

Սվեն Էշլիմանի, Անտոնիո Ռոսիի, Մարիանա Չավես-Սերվանտեսի, Ռազվան Կրաուզեի, Բենիտո Առնոլդիի, Բենջամին Շտադտմյուլերի, Մարտին Էշլիմանի, Սթիվեն Ֆորտիի, Ֆիլիպո Ֆաբրիի, Կամիլա Կոլետտիի, Իզաբելլա Գիրցի կողմից։

Մենք բացահայտում ենք WS2/գրաֆենի հետերոկառուցվածքում գերարագ լիցքի տարանջատում, որը հնարավոր է հնարավորություն տա գրաֆենի մեջ օպտիկական սպինային ներարկում կատարել։

© 2020 Գիտության առաջընթացի ամերիկյան ասոցիացիա: Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են: AAAS-ը HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef և COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548-ի գործընկերն է: