Við notum tíma- og hornupplausnar ljósemissionslitrófsgreiningu (tr-ARPES) til að rannsaka ofurhraðan hleðsluflutning í epitaxial heterobyggingu úr einlags WS2 og grafeni. Þessi misskipting sameinar kosti hálfleiðara með beinu bili með sterkri snúnings-brautartengingu og sterkri samspili ljóss og efnis við þá sem hýsa hálfmálm sem hýsa massalausa burðaraðila með mjög mikla hreyfanleika og langan snúningslíftíma. Við komumst að því að eftir ljósörvun við ómun til A-örvunar í WS2 flytjast ljósspennu götin hratt inn í grafenlagið á meðan ljósspennu rafeindirnar eru eftir í WS2 laginu. Hleðsluaðskilið skammvinnt ástand sem myndast hefur líftíma ~1 ps. Við rekjum niðurstöður okkar til mismunar á dreifingarfasarými sem stafar af hlutfallslegri röðun WS2 og grafenbanda eins og kemur í ljós með ARPES í hárri upplausn. Í samsettri meðferð með snúningssértækri sjónörvun gæti hin rannsakaða WS2/grafen misskipting verið vettvangur fyrir skilvirka sjónræna snúningsinndælingu í grafen.
Framboð margra mismunandi tvívíddar efna hefur opnað möguleikann á að búa til nýja, að lokum þunna heterostructures með alveg nýjum virkni sem byggir á sérsniðinni dielektrískri skimun og ýmsum nálægðaráhrifum (1-3). Sönnunarbúnaður fyrir framtíðarnotkun á sviði rafeindatækni og ljóseindatækni hefur verið að veruleika (4–6).
Hér einblínum við á epitaxial van der Waals heterostructures sem samanstanda af einlags WS2, beinu bili hálfleiðara með sterkri snúningsbrautartengingu og umtalsverðri snúningsskiptingu á bandbyggingu vegna brotinnar öfugsnúningssamhverfu (7), og einlags grafeni, hálfmálmi. með keilulaga bandbyggingu og afar mikla flutningsgetu burðarbera (8), ræktað á vetnislokuðu SiC(0001). Fyrstu vísbendingar um ofurhraðan hleðsluflutning (9-15) og nálægðar-framkallaða snúnings-sporbrautartengingaráhrif (16-18) gera WS2/grafen og svipaðar heterostructures efnilegar umsækjendur fyrir framtíðar sjónræna (19) og optospintronic (20) forrit.
Við lögðum upp með að afhjúpa slökunarferla ljósmyndaðra rafeindaholapöra í WS2/grafeni með tíma- og hornaupplausnum ljósgeislunarrófsgreiningu (tr-ARPES). Í þeim tilgangi örvum við misskiptinguna með 2-eV dælupúlsum sem enduróma A-örvunina í WS2 (21, 12) og losum út ljóseindir með öðrum tíma-seinkuðum rannsakapúlsum við 26 eV ljóseindorku. Við ákveðum hreyfiorku og losunarhorn ljóseinda með hálfkúlulaga greiningartæki sem fall af dælu-nema seinkun til að fá aðgang að skriðþunga-, orku- og tímaupplausnum burðarvirkni. Orka og tímaupplausn er 240 meV og 200 fs, í sömu röð.
Niðurstöður okkar veita beinar vísbendingar um ofurhraðan hleðsluflutning á milli epitaxiallaga laganna, sem staðfestir fyrstu vísbendingar sem byggjast á allri sjóntækni í svipuðum handvirkt samsettum heterostructures með handahófskenndri azimuthal röðun laganna (9-15). Að auki sýnum við að þessi gjaldflutningur er mjög ósamhverfur. Mælingar okkar sýna áður ómerkt hleðsluaðskilið skammvinnt ástand með ljósspenntum rafeindum og holum staðsettum í WS2 og grafenlaginu, í sömu röð, sem lifir í ~1 ps. Við túlkum niðurstöður okkar út frá mismun á dreifingarfasarými fyrir rafeinda- og holuflutning sem stafar af hlutfallslegri röðun WS2 og grafenbanda eins og fram kemur með ARPES í hárri upplausn. Ásamt snúnings- og dalsértækri sjónörvun (22–25) gætu WS2/grafen heterostructures skapað nýjan vettvang fyrir skilvirka ofurhraða sjónspuna innspýtingu í grafen.
Mynd 1A sýnir ARPES-mælingu í mikilli upplausn sem fæst með helíumlampa af bandbyggingu meðfram ΓK-stefnu WS2/grafen heterobyggingarinnar. Í ljós kemur að Dirac keilan er holóttuð með Dirac punktinn staðsettur ~0,3 eV fyrir ofan jafnvægisefnafræðilegan möguleika. Efst á snúningsskiptu WS2 gildissviðinu reynist vera ~1,2 eV undir jafnvægisefnafræðilegum möguleikum.
(A) Jafnvægisljósstraumur mældur meðfram ΓK-stefnunni með óskautuðum helíumlampa. (B) Ljósstraumur fyrir neikvæða dælurannsóknartöf mæld með p-skautuðum öfgaútfjólubláum púlsum við 26 eV ljóseindorku. Striklaðar gráar og rauðar línur merkja staðsetningu línusniðanna sem notuð eru til að draga út tímabundna toppstöðuna á mynd 2. (C) Breytingar á ljósstraumi af völdum dælu 200 fs eftir ljósörvun við ljóseindaorku dælu upp á 2 eV með dæluflæði af 2 mJ/cm2. Aukning og tap ljósrafeinda eru sýnd með rauðu og bláu, í sömu röð. Reitirnir gefa til kynna samþættingarsvæðið fyrir dælurannsóknarsporin sem sýnd eru á mynd 3.
Mynd 1B sýnir tr-ARPES skyndimynd af hljómsveitarbyggingunni nálægt WS2 og grafen K-punktum mældum með 100-fs öfga útfjólubláum púlsum við 26 eV ljóseindaorku við neikvæða dælupúls seinkun fyrir komu dælupúlsins. Hér er snúningsskiptingin ekki leyst vegna niðurbrots sýna og tilvistar 2-eV dælupúls sem veldur því að geimhleðsla breikkar litrófseiginleikana. Mynd 1C sýnir breytingar á ljósstraumi af völdum dælunnar með tilliti til mynd 1B við 200 fs dælu-nema seinkun þar sem dælu-nemamerki nær hámarki. Rauður og blár litur gefa til kynna aukningu og tap ljósrafeinda, í sömu röð.
Til að greina þessa ríku gangverki nánar, ákvarðum við fyrst tímabundna toppstöðu WS2 gildisbandsins og grafen π-bandsins meðfram strikuðum línum á mynd 1B eins og útskýrt er í smáatriðum í viðbótarefninu. Við komumst að því að WS2 gildissviðið færist upp um 90 meV (Mynd 2A) og grafen π-bandið færist niður um 50 meV (Mynd 2B). Veldistími þessara breytinga er talinn vera 1,2 ± 0,1 ps fyrir gildissvið WS2 og 1,7 ± 0,3 ps fyrir grafen π-bandið. Þessar hámarksbreytingar gefa fyrstu vísbendingar um tímabundna hleðslu laganna tveggja, þar sem viðbótar jákvæð (neikvæð) hleðsla eykur (minnkar) bindingarorku rafeindaástandanna. Athugaðu að uppskipting WS2 gildissviðsins er ábyrg fyrir áberandi dæluskynjaramerkinu á svæðinu sem er merkt með svarta kassanum á mynd 1C.
Breyting á hámarksstöðu WS2 gildissviðsins (A) og grafen π-bandsins (B) sem fall af dælurannsóknartöfum ásamt veldisvísisfestingum (þykkar línur). Líftími WS2 vaktarinnar í (A) er 1,2 ± 0,1 ps. Líftími grafenbreytingarinnar í (B) er 1,7 ± 0,3 ps.
Næst samþættum við dæluskynjaramerkið yfir svæðin sem lituðu reitirnir á mynd 1C gefa til kynna og teiknum upp tölurnar sem myndast sem fall af seinkun dælunnar á mynd 3. Ferill 1 á mynd 3 sýnir gangverki ljósspenntir burðarefni nálægt botni leiðnisviðs WS2 lagsins með líftíma 1,1 ± 0,1 ps sem fæst með veldisvísis passa við gögn (sjá viðbótarefni).
Dæluleitarspor sem fall af seinkun sem fæst með því að samþætta ljósstrauminn yfir svæðið sem tilgreint er með reitunum á mynd 1C. Þykku línurnar eru veldisvísis passa við gögnin. Kúrfa (1) Tímabundin burðarefni í leiðnisviði WS2. Ferill (2) Dæluskynjaramerki π-bands grafens fyrir ofan efnajafnvægisgetu. Kúrfa (3) Dæluskynjaramerki π-bands grafens fyrir neðan efnafræðilega jafnvægisgetu. Kúrfa (4) Nettó dæluskynjaramerki í gildissviði WS2. Líftíminn er talinn vera 1,2 ± 0,1 ps í (1), 180 ± 20 fs (aukning) og ~2 ps (tap) í (2), og 1,8 ± 0,2 ps í (3).
Í ferlum 2 og 3 á mynd 3, sýnum við dælu-nema merki grafen π-bandsins. Við komumst að því að ávinningur rafeinda yfir jafnvægisefnamöguleikanum (ferill 2 á mynd 3) hefur mun styttri líftíma (180 ± 20 fs) samanborið við tap rafeinda undir jafnvægisefnamöguleika (1,8 ± 0,2 ps í ferli 3 mynd 3). Ennfremur kemur í ljós að upphafsaukning ljósstraumsins í ferli 2 á mynd 3 breytist í tap við t = 400 fs með líftíma ~2 ps. Ósamhverfið á milli ávinnings og taps er ekki til staðar í dæluskynjaramerkinu af afhjúpuðu einlags grafeni (sjá mynd S5 í viðbótarefninu), sem gefur til kynna að ósamhverfan sé afleiðing af millilagstengingu í WS2/grafen heterobyggingu. Athugun á skammvinnum ávinningi og langlífu tapi fyrir ofan og neðan efnafræðilega jafnvægisgetu, í sömu röð, gefur til kynna að rafeindir séu á skilvirkan hátt fjarlægðar úr grafenlaginu við ljósörvun misskiptingarinnar. Fyrir vikið verður grafenlagið jákvætt hlaðið, sem er í samræmi við aukningu á bindiorku π-bandsins sem er að finna á mynd 2B. Niðurfærsla á π-bandinu fjarlægir háorkuhala jafnvægis Fermi-Dirac dreifingarinnar ofan við jafnvægisefnafræðilegan möguleika, sem skýrir að hluta til táknbreytingu dæluskynjarans í feril 2 á mynd 3. Við munum sýndu hér að neðan að þessi áhrif aukast enn frekar með tímabundnu tapi rafeinda í π-bandinu.
Þessi atburðarás er studd af nettó dæluprófunarmerki WS2 gildissviðsins í feril 4 á mynd 3. Þessi gögn voru fengin með því að samþætta talninga yfir svæðið sem svarti kassinn á mynd 1B gefur upp sem fangar rafeindirnar sem ljósgeislar eru frá gildissviðið við allar tafir á dælurannsóknum. Innan tilraunavillustikanna finnum við engar vísbendingar um tilvist göt í gildissviði WS2 fyrir neina dælurannsóknartöf. Þetta gefur til kynna að, eftir ljósörvun, fyllast þessar holur hratt aftur á stuttum tímakvarða miðað við tímabundna upplausn okkar.
Til að veita endanlega sönnun fyrir tilgátu okkar um ofurhraðan hleðsluaðskilnað í WS2/grafen heterobyggingu, ákveðum við fjölda hola sem eru fluttar í grafenlagið eins og lýst er í smáatriðum í viðbótarefninu. Í stuttu máli var skammvinn rafræn dreifing π-bandsins búin Fermi-Dirac dreifingu. Fjöldi hola var síðan reiknaður út frá gildum sem fengust fyrir skammvinn efnamöguleika og rafeindahita. Niðurstaðan er sýnd á mynd 4. Við finnum að heildarfjöldi ~5 × 1012 holur/cm2 er fluttur úr WS2 yfir í grafen með veldisvísislíftíma upp á 1,5 ± 0,2 ps.
Breyting á fjölda hola í π-bandinu sem fall af dælu-nema seinkun ásamt veldisvísis passa sem gefur líftíma upp á 1,5 ± 0,2 ps.
Af niðurstöðum á myndum. 2 til 4 kemur eftirfarandi smásæ mynd fyrir ofurhraðan hleðsluflutning í WS2/grafen heterobyggingu (mynd 5). Photoexcitation á WS2/graphene heterostructure við 2 eV byggir yfirgnæfandi A-exciton í WS2 (Mynd 5A). Viðbótar rafræn örvun þvert yfir Dirac punktinn í grafeni sem og milli WS2 og grafenbanda eru orkulega mögulegar en töluvert óhagkvæmari. The photoexcited holur í gildi band WS2 eru endurfyllt af rafeindum sem eru upprunnin frá grafen π-band á stuttum tímakvarða miðað við tímabundna upplausn okkar (mynd 5A). Ljósspenntar rafeindir í leiðnibandi WS2 hafa líftíma ~1 ps (mynd 5B). Hins vegar tekur það ~2 ps að fylla aftur í götin í grafen π-bandinu (Mynd 5B). Þetta gefur til kynna að, fyrir utan bein rafeindaflutning milli WS2 leiðslubandsins og grafen π-bandsins, þarf að íhuga viðbótar slökunarleiðir - hugsanlega í gegnum gallaástand (26) - til að skilja alla gangverki.
(A) Ljósörvun við ómun við WS2 A-örvun við 2 eV sprautar rafeindum inn í leiðnisvið WS2. Samsvarandi göt á gildissviði WS2 fyllast samstundis aftur af rafeindum frá grafen π-bandinu. (B) Ljósspennu burðarefnin í leiðnibandi WS2 hafa líftíma ~1 ps. Götin í grafen π-bandinu lifa í ~2 ps, sem gefur til kynna mikilvægi viðbótardreifingarrása sem sýndar eru með strikuðum örvum. Svartar strikalínur í (A) og (B) gefa til kynna bandbreytingar og breytingar á efnafræðilegum möguleikum. (C) Í tímabundnu ástandi er WS2 lagið neikvætt hlaðið á meðan grafenlagið er jákvætt hlaðið. Fyrir snúningssértæka örvun með hringskautuðu ljósi er gert ráð fyrir að ljósspenntar rafeindir í WS2 og samsvarandi holur í grafeni sýni gagnstæða snúningskautun.
Í tímabundnu ástandi eru ljósspennu rafeindirnar í leiðnisviði WS2 á meðan ljósspennu götin eru staðsett í π-bandi grafensins (mynd 5C). Þetta þýðir að WS2 lagið er neikvætt hlaðið og grafenlagið er jákvætt hlaðið. Þetta gerir grein fyrir tímabundnum toppbreytingum (mynd 2), ósamhverfu grafendælu-nemamerksins (ferlar 2 og 3 á mynd 3), skortur á holum í gildissviði WS2 (ferill 4 mynd 3). , auk viðbótarholanna í grafen π-bandinu (mynd 4). Líftími þessa hleðsluaðskilda ástands er ~1 ps (ferill 1 mynd 3).
Svipuð hleðsluaðskilin skammvinn ríki hafa sést í tengdum van der Waals misskiptingum sem eru gerðir úr tveimur beinu bili hálfleiðurum með tegund II bandjöfnun og þreptu bandbili (27–32). Eftir ljósörvun reyndust rafeindirnar og götin færa sig hratt til botns leiðnibandsins og efst á gildisbandið, í sömu röð, sem eru staðsett í mismunandi lögum misskiptingarinnar (27–32).
Þegar um er að ræða WS2/grafen heterobyggingu okkar er orkulega hagstæðasta staðsetningin fyrir bæði rafeindir og holur á Fermi stigi í málmi grafenlaginu. Þess vegna mætti búast við því að bæði rafeindir og holur færist hratt yfir á grafen π-bandið. Hins vegar sýna mælingar okkar greinilega að holuflutningur (<200 fs) er mun skilvirkari en rafeindaflutningur (~1 ps). Við rekjum þetta til hlutfallslegrar orkusamsetningar WS2 og grafenbandanna eins og sést á mynd 1A sem býður upp á stærri fjölda tiltækra lokaástanda fyrir holuflutning samanborið við rafeindaflutning eins og nýlega var búist við af (14, 15). Í þessu tilviki, ef gert er ráð fyrir ~2 eV WS2 bandbili, eru grafen Dirac punkturinn og jafnvægisefnafræðilegur möguleiki staðsettur ~0,5 og ~0,2 eV fyrir ofan miðju WS2 bandbilsins, í sömu röð, og brjóta rafeindahola samhverfu. Við komumst að því að fjöldi tiltækra lokaástanda fyrir holuflutning er ~6 sinnum meiri en fyrir rafeindaflutning (sjá viðbótarefni), þess vegna er búist við að holuflutningur verði hraðari en rafeindaflutningur.
Heildar smásæ mynd af ofurhröðum ósamhverfum hleðsluflutningi sem sést ætti þó einnig að íhuga skörun milli svigrúmanna sem mynda A-exciton bylgjufallið í WS2 og grafen π-bandinu, í sömu röð, mismunandi rafeinda-rafeinda og rafeinda-hljóðdreifingu rásir, þar með talið þær takmarkanir sem settar eru af skriðþunga, orku, snúningi og verndun gervispína, áhrif plasmasveiflna (33), sem og hlutverk hugsanlegrar tilfærslu örvunar á samfelldum hljóðsveiflum sem gætu miðlað hleðsluflutningnum (34, 35). Einnig gæti maður velt því fyrir sér hvort hleðsluflutningsástandið sem sést samanstendur af hleðsluflutningsörvum eða frjálsum rafeindaholapörum (sjá viðbótarefni). Frekari fræðilegar rannsóknir sem fara út fyrir svið þessarar greinar eru nauðsynlegar til að skýra þessi atriði.
Í stuttu máli höfum við notað tr-ARPES til að rannsaka ofurhraðan millilagshleðsluflutning í epitaxial WS2/graphene heterostructure. Við komumst að því að þegar þau eru örvuð við ómun við A-örvun WS2 við 2 eV flytjast ljósspennu götin hratt inn í grafenlagið á meðan ljósspennu rafeindirnar eru eftir í WS2 laginu. Við rekjum þetta til þess að fjöldi tiltækra lokaástanda fyrir holuflutning er meiri en fyrir rafeindaflutning. Líftími hleðsluaðskilins skammvinns ástands reyndist vera ~1 ps. Í samsetningu með snúningssértækri sjónörvun með hringskautuðu ljósi (22–25), gæti ofurhraða hleðsluflutningurinn fylgt snúningsflutningur. Í þessu tilviki gæti rannsakað WS2/grafen heterobygging verið notuð til skilvirkrar optískrar snúningsinnspýtingar í grafen sem leiðir til nýrra optospintrónískra tækja.
Grafensýnin voru ræktuð á hálfleiðurum 6H-SiC(0001) diskum frá SiCrystal GmbH. N-dópuðu skífurnar voru á ásnum með misskurð undir 0,5°. SiC undirlagið var vetnisætað til að fjarlægja rispur og fá venjulegar flatar verönd. Hreint og atómslétt Si-enda yfirborðið var síðan grafítað með því að glæða sýnið í Ar andrúmslofti við 1300°C í 8 mínútur (36). Þannig fengum við eitt kolefnislag þar sem þriðja hvert kolefnisatóm myndaði samgilt tengi við SiC hvarfefnið (37). Þessu lagi var síðan breytt í algjörlega sp2-blendingu hálfgerðu frístandandi holu-dópuðu grafeni með vetnisintercalation (38). Þessi sýni eru nefnd grafen/H-SiC(0001). Allt ferlið var framkvæmt í Black Magic vaxtarklefa í atvinnuskyni frá Aixtron. WS2 vöxturinn var framkvæmdur í venjulegum heitveggs reactor með lágþrýstingsefnagufuútfellingu (39, 40) með því að nota WO3 og S duft með massahlutfallið 1:100 sem forefni. WO3 og S duftið var haldið við 900 og 200°C, í sömu röð. WO3 duftið var sett nálægt undirlaginu. Argon var notað sem burðargas með 8 sccm flæði. Þrýstingur í reactor var haldið við 0,5 mbar. Sýnin voru auðkennd með efri rafeindasmásjárskoðun, atómkraftssmásjárskoðun, Raman og ljósljómunarrófsgreiningu, auk lágorku rafeindadiffrunar. Þessar mælingar leiddu í ljós tvö mismunandi WS2 einkristölluð lén þar sem annað hvort ΓK- eða ΓK'-áttin er í takt við ΓK-stefnu grafenlagsins. Lengd lénshliðar var breytileg á milli 300 og 700 nm, og heildar WS2 þekjan var áætluð um ~40%, hentugur fyrir ARPES greiningu.
Stöðu ARPES tilraunirnar voru gerðar með hálfkúlulaga greiningartæki (SPECS PHOIBOS 150) með hleðslutengdu tæki-skynjarakerfi til að greina rafeindaorku og skriðþunga í tvívíð. Óskautuð, einlita He Iα geislun (21,2 eV) frá háflæðis He losunargjafa (VG Scienta VUV5000) var notuð fyrir allar ljósgeislunartilraunir. Orkan og hornupplausnin í tilraunum okkar voru betri en 30 meV og 0,3° (sem samsvarar 0,01 Å−1), í sömu röð. Allar tilraunir voru gerðar við stofuhita. ARPES er afar yfirborðsnæm tækni. Til að kasta ljóseindum frá bæði WS2 og grafenlaginu voru notuð sýni með ófullkomna WS2 þekju upp á ~40%.
Tr-ARPES uppsetningin var byggð á 1-kHz Titanium:Sapphire magnara (Coherent Legend Elite Duo). 2 mJ af útgangsafli var notað til að mynda mikla harmoniku í argon. Ofsalega útfjólubláa ljósið sem myndast fór í gegnum risandi einlitunartæki sem framleiðir 100-fs rannsakapúlsa við 26-eV ljóseindaorku. 8mJ af úttaksmagni magnara var sent inn í optískan parametric magnara (HE-TOPAS frá Light Conversion). Merkjageislinn við 1-eV ljóseindaorku var tíðni tvöfaldaður í beta baríum bórat kristal til að fá 2-eV dælupúlsana. Tr-ARPES mælingarnar voru gerðar með hálfkúlulaga greiningartæki (SPECS PHOIBOS 100). Heildarorka og tímaupplausn var 240 meV og 200 fs, í sömu röð.
Viðbótarefni fyrir þessa grein er fáanlegt á http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
Þetta er grein með opnum aðgangi sem dreift er samkvæmt skilmálum Creative Commons Attribution-NonCommercial leyfisins, sem leyfir notkun, dreifingu og fjölföldun á hvaða miðli sem er, svo framarlega sem notkunin er ekki í viðskiptalegum ávinningi og að því gefnu að upprunalega verkið sé rétt. vitnað til.
ATH: Við biðjum aðeins um netfangið þitt svo að sá sem þú mælir með síðunni viti að þú vildir að hann sæi hana og að þetta sé ekki ruslpóstur. Við tökum ekki upp neitt netfang.
Þessi spurning er til að prófa hvort þú sért mannlegur gestur eða ekki og til að koma í veg fyrir sjálfvirkar ruslpóstsendingar.
Eftir Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Við afhjúpum ofurhraðan hleðsluaðskilnað í WS2/grafen heterostructure sem mögulega gerir sjónræna snúningssprautun kleift í grafen.
Eftir Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Við afhjúpum ofurhraðan hleðsluaðskilnað í WS2/grafen heterostructure sem mögulega gerir sjónræna snúningssprautun kleift í grafen.
© 2020 American Association for the Advancement of Science. Allur réttur áskilinn. AAAS er samstarfsaðili HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef og COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Birtingartími: 25. maí 2020