Kita nggunakake spektroskopi fotoemisi wektu lan sudut (tr-ARPES) kanggo nyelidiki transfer muatan ultracepat ing heterostruktur epitaxial sing digawe saka monolayer WS2 lan graphene. Heterostruktur iki nggabungake keuntungan saka semikonduktor gap langsung kanthi kopling spin-orbit sing kuat lan interaksi materi cahya sing kuwat karo operator semimetal hosting tanpa massa kanthi mobilitas dhuwur banget lan umur spin sing dawa. Kita temokake, sawise photoexcitation ing résonansi menyang A-exciton ing WS2, bolongan photoexcited cepet nransfer menyang lapisan graphene nalika elektron photoexcited tetep ing lapisan WS2. Status transien sing dipisahake muatan sing diasilake ditemokake nduweni umur ∼ 1 ps. Kita ngubungake temuan kita kanggo beda ing spasi fase scattering sing disebabake dening keselarasan relatif saka pita WS2 lan graphene kaya sing dicethakaké dening ARPES resolusi dhuwur. Ing kombinasi karo eksitasi optik spin-selektif, heterostructure WS2 / graphene sing diselidiki bisa nyedhiyakake platform kanggo injeksi spin optik sing efisien menyang graphene.
Kasedhiya akeh bahan rong dimensi sing beda-beda wis mbukak kemungkinan kanggo nggawe heterostruktur novel sing pungkasane tipis kanthi fungsionalitas anyar adhedhasar screening dielektrik sing disesuaikan lan macem-macem efek sing disebabake jarak (1-3). Piranti bukti-of-prinsip kanggo aplikasi ing mangsa ngarep ing bidang elektronik lan optoelektronik wis diwujudake (4-6).
Ing kene, kita fokus ing heterostructures epitaxial van der Waals sing kasusun saka monolayer WS2, semikonduktor gap langsung kanthi kopling spin-orbit sing kuat lan pamisahan spin sing cukup saka struktur pita amarga simetri inversi sing rusak (7), lan graphene monolayer, semimetal. karo struktur pita conical lan mobilitas operator dhuwur banget (8), thukul ing hidrogen-terminated SiC (0001). Indikasi pisanan kanggo transfer daya ultrafast (9-15) lan efek kopling spin-orbit sing diakibatake jarak (16-18) nggawe WS2 / graphene lan heterostructures padha njanjeni calon kanggo aplikasi optoelektronik (19) lan optospintronic (20) mangsa ngarep.
Kita miwiti mbukak jalur relaksasi pasangan lubang elektron fotogenerasi ing WS2 / graphene kanthi spektroskopi fotoemisi wektu lan sudut (tr-ARPES). Kanggo maksud sing, kita excite heterostructure karo 2-eV pump pulses resonant menyang A-exciton ing WS2 (21, 12) lan eject photoelectrons karo pulsa probe wektu-tundha kaping pindho ing energi foton 26-eV. Kita nemtokake energi kinetik lan sudut emisi fotoelektron kanthi penganalisa hemisferik minangka fungsi penundaan pompa-probe kanggo entuk akses menyang dinamika operator momentum, energi, lan wektu. Resolusi energi lan wektu yaiku 240 meV lan 200 fs.
Asil kita nyedhiyakake bukti langsung kanggo transfer daya ultrafast ing antarane lapisan sing didadekake epitaxially, ngonfirmasi indikasi pisanan adhedhasar teknik kabeh-optik ing heterostructures padha kanthi manual sing padha karo alignment azimuthal saka lapisan (9-15). Kajaba iku, kita nuduhake yen transfer daya iki banget asimetris. Pangukuran kita ngungkapake kahanan transien sing dipisahake muatan sing sadurunge ora diamati kanthi elektron lan bolongan photoexcited sing ana ing lapisan WS2 lan graphene, sing urip nganti ~ 1 ps. Kita kokwaca temonan kita ing syarat-syarat beda ing spasi scattering phase kanggo transfer elektron lan bolongan disebabake alignment relatif saka WS2 lan band graphene minangka dicethakaké dening ARPES resolusi dhuwur. Digabungake karo eksitasi optik spin- lan lembah-selektif (22-25) WS2 / graphene heterostructures bisa nyedhiyakake platform anyar kanggo injeksi spin optik ultrafast sing efisien menyang graphene.
Figure 1A nuduhake pangukuran ARPES resolusi dhuwur sing dipikolehi kanthi lampu helium saka struktur pita ing arah ΓK saka heterostructure WS2 / graphene epitaxial. Kerucut Dirac ditemokake minangka hole-doped kanthi titik Dirac sing dumunung ∼0,3 eV ing ndhuwur potensial kimia kesetimbangan. Ndhuwur pita valensi WS2 spin-split ditemokake ~ 1,2 eV ing sangisore potensial kimia keseimbangn.
(A) Arus foto kesetimbangan diukur ing arah ΓK kanthi lampu helium sing ora dipolarisasi. (B) Photocurrent kanggo tundha pump-probe negatif diukur karo p-polarized pulsa ultraviolet ekstrem ing energi foton 26-eV. Garis abu-abu lan abang sing dicithak tandha posisi profil garis sing digunakake kanggo ngekstrak posisi puncak transien ing Fig. 2. (C) Owah-owahan sing diakibatake pompa saka arus foto 200 fs sawise fotoeksitasi ing energi foton pompa 2 eV kanthi fluence pompa. saka 2 mJ/cm2. Gain lan mundhut saka photoelectrons ditampilake ing abang lan biru, mungguh. Kothak kasebut nuduhake area integrasi kanggo jejak pompa-probe sing ditampilake ing Fig. 3.
Figure 1B nuduhake gambar asli seko tr-ARPES saka struktur band cedhak WS2 lan graphene K-titik diukur karo 100-fs pulses ultraviolet nemen ing energi foton 26-eV ing wektu tundha pump-probe negatif sadurunge rawuh saka pulsa pump. Ing kene, pemisahan spin ora bisa dirampungake amarga degradasi sampel lan anané pulsa pompa 2-eV sing njalari nyebarake muatan ruang saka fitur spektral. Figure 1C nuduhake owah-owahan pump-mlebu saka photocurrent bab Fig. 1B ing wektu tundha pump-probe 200 fs ngendi sinyal pump-probe tekan maksimum. Werna abang lan biru nuduhake gain lan mundhut fotoelektron.
Kanggo nganalisis dinamika sugih iki kanthi luwih rinci, kita nemtokake posisi puncak transient saka pita valensi WS2 lan pita graphene π ing sadawane garis putus-putus ing Fig. 1B minangka diterangake kanthi rinci ing Bahan Tambahan. Kita temokake yen pita valensi WS2 pindhah munggah 90 meV (Fig. 2A) lan graphene π-band pindhah mudhun kanthi 50 meV (Fig. 2B). Umur eksponensial saka owah-owahan kasebut ditemokake yaiku 1,2 ± 0,1 ps kanggo pita valensi WS2 lan 1,7 ± 0,3 ps kanggo pita graphene π. Pergeseran puncak iki nyedhiyakake bukti pisanan babagan pangisi daya sementara saka rong lapisan, ing ngendi muatan positif (negatif) nambah (mudhun) energi ikatan negara elektronik. Elinga yen upshift band valensi WS2 tanggung jawab kanggo sinyal pump-probe penting ing wilayah sing ditandhani dening kothak ireng ing Fig.
Owah-owahan ing posisi puncak pita valensi WS2 (A) lan graphene π-band (B) minangka fungsi tundha pump-probe bebarengan karo pas eksponensial (garis tebal). Umur shift WS2 ing (A) yaiku 1,2 ± 0,1 ps. Umur shift graphene ing (B) yaiku 1,7 ± 0,3 ps.
Sabanjure, kita nggabungake sinyal pump-probe liwat wilayah sing dituduhake dening kothak colored ing Fig. 1C lan plot counts asil minangka fungsi tundha pump-probe ing Fig. 3. Kurva 1 ing Fig. 3 nuduhake dinamika saka operator photoexcited cedhak ngisor pita konduksi saka lapisan WS2 karo umur 1,1 ± 0,1 ps dijupuk saka pas eksponensial kanggo data (ndeleng Bahan Tambahan).
Pump-probe ngambah minangka fungsi saka wektu tundha dijupuk dening nggabungaken photocurrent liwat wilayah dituduhake dening kothak ing Fig. 1C. Garis sing kandel minangka eksponensial pas karo data. Kurva (1) Populasi operator transien ing pita konduksi WS2. Kurva (2) Sinyal pompa-probe saka pita π saka graphene ing ndhuwur potensial kimia keseimbangn. Kurva (3) Sinyal pompa-probe saka π-band graphene ing sangisore potensial kimia keseimbangn. Kurva (4) Sinyal pump-probe Net ing pita valensi WS2. Umure ditemokake 1.2 ± 0.1 ps ing (1), 180 ± 20 fs (gain) lan ∼2 ps (mundhut) ing (2), lan 1.8 ± 0.2 ps ing (3).
Ing kurva 2 lan 3 saka Fig. 3, kita nuduhake sinyal pump-probe saka graphene π-band. Kita nemokake yen gain elektron ing ndhuwur potensial kimia keseimbangn (kurva 2 ing Fig. 3) nduweni umur sing luwih cendhek (180 ± 20 fs) dibandhingake karo mundhut elektron ing sangisore potensial kimia keseimbangan (1,8 ± 0,2 ps ing kurva 3 Gambar 3). Salajengipun, gain awal photocurrent ing kurva 2 Fig. 3 ditemokake dadi mundhut ing t = 400 fs kanthi umur ~ 2 ps. Asimetri antarane gain lan mundhut ditemokaké ora ana ing sinyal pump-probe saka graphene monolayer ditemokke (ndeleng anjir. S5 ing Bahan Tambahan), nuduhake yen asimetri minangka akibat saka interlayer kopling ing WS2 / graphene heterostructure. Pengamatan saka gain short-urip lan long-urip mundhut ndhuwur lan ngisor potensial kimia keseimbangn, mungguh, nuduhake yen elektron irit dibusak saka lapisan graphene nalika photoexcitation saka heterostructure. Akibaté, lapisan graphene dadi muatan positif, sing konsisten karo paningkatan energi pengikat pita π sing ditemokake ing Gambar 2B. Downshift saka π-band mbusak buntut energi dhuwur saka distribusi Fermi-Dirac keseimbangn saka ndhuwur potensial kimia keseimbangn, kang sebagéyan nerangake owah-owahan tandha saka sinyal pump-probe ing kurva 2 Fig. 3. Kita bakal nuduhake ing ngisor iki sing efek iki luwih tambah dening mundhut transient elektron ing π-band.
Skenario iki didhukung dening sinyal pump-probe net saka pita valensi WS2 ing kurva 4 Fig. 3. Data kasebut dipikolehi kanthi nggabungake counts liwat area sing diwenehake dening kothak ireng ing Fig. 1B sing njupuk elektron photoemitted saka pita valensi ing kabeh tundha pump-probe. Ing bar kesalahan eksperimen, kita ora nemokake indikasi anané bolongan ing pita valensi WS2 kanggo wektu tundha pump-probe. Iki nuduhake yen, sawise photoexcitation, bolongan kasebut kanthi cepet diisi maneh ing skala wektu sing cendhak dibandhingake karo resolusi temporal kita.
Kanggo menehi bukti pungkasan kanggo hipotesis kita babagan pamisahan daya ultrafast ing heterostruktur WS2 / graphene, kita nemtokake jumlah bolongan sing ditransfer menyang lapisan graphene kaya sing diterangake kanthi rinci ing Bahan Tambahan. Ing cendhak, distribusi elektronik transien saka pita π dipasang karo distribusi Fermi-Dirac. Jumlah bolongan banjur diwilang saka nilai asil kanggo potensial kimia transient lan suhu elektronik. Asil ditampilake ing Fig. 4. Kita nemokake yen jumlah total ~ 5 × 1012 bolongan / cm2 ditransfer saka WS2 menyang graphene kanthi umur eksponensial 1,5 ± 0,2 ps.
Owah-owahan saka jumlah bolongan ing π-band minangka fungsi tundha pump-probe bebarengan karo pas eksponensial ngasilaken umur 1,5 ± 0,2 ps.
Saka temonan ing Fig. 2 kanggo 4, gambar mikroskopik ing ngisor iki kanggo transfer daya ultrafast ing WS2 / graphene heterostructure muncul (Fig. 5). Photoexcitation saka WS2 / graphene heterostructure ing 2 eV dominan populates A-exciton ing WS2 (Fig. 5A). Eksitasi elektronik tambahan ing titik Dirac ing graphene uga ing antarane pita WS2 lan graphene bisa kanthi energik nanging kurang efisien. Bolongan photoexcited ing pita valensi WS2 diisi maneh dening elektron sing asale saka pita graphene π kanthi skala wektu sing cendhak dibandhingake karo resolusi temporal kita (Gambar 5A). Elektron photoexcited ing pita konduksi WS2 duwe umur ∼ 1 ps (Gambar 5B). Nanging, butuh ∼2 ps kanggo ngisi maneh bolongan ing graphene π-band (Gambar 5B). Iki nuduhake yen, kajaba transfer elektron langsung antarane pita konduksi WS2 lan pita graphene π, jalur relaksasi tambahan-bisa uga liwat negara cacat (26) - kudu dianggep kanggo mangerteni dinamika lengkap.
(A) Photoexcitation ing resonansi menyang WS2 A-exciton ing 2 eV nyuntikake elektron menyang pita konduksi WS2. Bolongan sing cocog ing pita valensi WS2 langsung diisi ulang dening elektron saka pita graphene π. (B) Operator photoexcited ing pita konduksi WS2 duwe umur ∼ 1 ps. Bolongan ing graphene π-band urip nganti ∼2 ps, nuduhake pentinge saluran panyebaran tambahan sing dituduhake dening panah putus-putus. Garis putus-putus ireng ing (A) lan (B) nuduhake owah-owahan band lan owah-owahan potensial kimia. (C) Ing negara sementara, lapisan WS2 diisi kanthi negatif nalika lapisan graphene diisi kanthi positif. Kanggo eksitasi spin-selektif kanthi cahya polarisasi sirkuler, elektron photoexcited ing WS2 lan bolongan sing cocog ing graphene samesthine bakal nuduhake polarisasi spin sing ngelawan.
Ing negara transien, elektron photoexcited manggon ing pita konduksi WS2 nalika bolongan photoexcited dumunung ing π-band graphene (Fig. 5C). Iki tegese lapisan WS2 diisi kanthi negatif lan lapisan graphene diisi kanthi positif. Iki nyatakake owah-owahan puncak transient (Gambar 2), asimetri sinyal pump-probe graphene (kurva 2 lan 3 saka Fig. 3), ora ana bolongan ing pita valensi WS2 (kurva 4 Fig. 3) , uga bolongan tambahan ing graphene π-band (Gambar 4). Umur negara sing dipisahake muatan iki yaiku ~ 1 ps (kurva 1 Gambar 3).
Kahanan transien sing dipisahake muatan sing padha wis diamati ing heterostruktur van der Waals sing gegandhengan sing digawe saka rong semikonduktor celah langsung kanthi keselarasan pita tipe II lan celah pita staggered (27-32). Sawise photoexcitation, elektron lan bolongan ditemokake kanthi cepet pindhah menyang ngisor pita konduksi lan menyang ndhuwur pita valensi, masing-masing, sing dumunung ing macem-macem lapisan heterostructure (27-32).
Ing kasus heterostructure WS2 / graphene, lokasi sing paling apik kanggo elektron lan bolongan yaiku ing tingkat Fermi ing lapisan graphene metalik. Mulane, siji bakal nyana sing loro elektron lan bolongan cepet transfer menyang graphene π-band. Nanging, pangukuran kita cetha nuduhake yen transfer bolongan (<200 fs) luwih efisien tinimbang transfer elektron (∼1 ps). We ngubungake iki kanggo Alignment energik relatif saka WS2 lan pita graphene minangka dicethakaké ana ing Fig. 1A sing nawakake nomer luwih saka negara final kasedhiya kanggo transfer bolongan dibandhingake transfer elektron minangka bubar diantisipasi dening (14, 15). Ing kasus saiki, kanthi asumsi ∼2 eV WS2 celah pita, titik graphene Dirac lan potensial kimia keseimbangn dumunung ~ 0,5 lan ~ 0,2 eV ing ndhuwur tengah celah pita WS2, ngrusak simetri elektron-hole. Kita nemokake yen jumlah negara pungkasan sing kasedhiya kanggo transfer bolongan yaiku ~ 6 kaping luwih gedhe tinimbang transfer elektron (pirsani Bahan Tambahan), mulane transfer bolongan dikira luwih cepet tinimbang transfer elektron.
Gambar mikroskopis lengkap saka transfer muatan asimetris ultracepat sing diamati, nanging uga kudu nimbang tumpang tindih antarane orbital sing mbentuk fungsi gelombang A-exciton ing WS2 lan pita graphene π, masing-masing, panyebaran elektron-elektron lan elektron-phonon sing beda. saluran kalebu kendala sing ditindakake dening momentum, energi, spin, lan konservasi pseudospin, pengaruh osilasi plasma (33), uga peran kemungkinan eksitasi displasif saka osilasi fonon koheren sing bisa dadi mediasi transfer muatan (34, 35) . Uga, siji bisa spekulasi apa negara transfer muatan sing diamati kasusun saka excitons transfer muatan utawa pasangan elektron-lubang bebas (pirsani Bahan Tambahan). Penyelidikan teoretis luwih lanjut sing ngluwihi ruang lingkup makalah iki dibutuhake kanggo njlentrehake masalah kasebut.
Ing ringkesan, kita wis nggunakake tr-ARPES kanggo sinau transfer daya interlayer ultrafast ing heterostructure WS2 / graphene epitaxial. We found sing, nalika bungah ing résonansi kanggo A-exciton saka WS2 ing 2 eV, bolongan photoexcited cepet pindhah menyang lapisan graphene nalika elektron photoexcited tetep ing lapisan WS2. Kita nyatakake iki amarga jumlah negara pungkasan sing kasedhiya kanggo transfer bolongan luwih gedhe tinimbang transfer elektron. Umur negara transien sing dipisahake muatan ditemokake ~ 1 ps. Ing kombinasi karo eksitasi optik spin-selektif nggunakake cahya polarisasi sirkuler (22-25), transfer daya ultrafast sing diamati bisa uga diiringi transfer spin. Ing kasus iki, heterostructure WS2 / graphene sing diselidiki bisa digunakake kanggo injeksi spin optik sing efisien menyang graphene sing ngasilake piranti optospintronik novel.
Sampel graphene ditanam ing wafer semikonduktor komersial 6H-SiC(0001) saka SiCrystal GmbH. Wafer N-doped ana ing sumbu kanthi salah potong ing ngisor 0,5 °. Substrat SiC dilapisi hidrogen kanggo mbusak goresan lan entuk teras sing rata. Lumahing Si-terminated resik lan warata atom banjur graphitized dening anil sampel ing atmosfer Ar ing 1300 ° C kanggo 8 min (36). Kanthi cara iki, kita entuk lapisan karbon siji ing ngendi saben atom karbon katelu mbentuk ikatan kovalen menyang substrat SiC (37). Lapisan iki banjur diowahi dadi sp2-hibridisasi quasi free-standing hole-doped graphene liwat interkalasi hidrogen (38). Sampel kasebut diarani graphene/H-SiC(0001). Proses kabeh ditindakake ing ruang pertumbuhan Black Magic komersial saka Aixtron. Wutah WS2 ditindakake ing reaktor tembok panas standar kanthi deposisi uap kimia tekanan rendah (39, 40) nggunakake bubuk WO3 lan S kanthi rasio massa 1:100 minangka prekursor. WO3 lan S bubuk padha katahan ing 900 lan 200 ° C, mungguh. WO3 bubuk diselehake cedhak karo substrat. Argon digunakake minangka gas pembawa kanthi aliran 8 sccm. Tekanan ing reaktor dijaga ing 0,5 mbar. Sampel kasebut ditondoi kanthi mikroskop elektron sekunder, mikroskop gaya atom, Raman, lan spektroskopi fotoluminesensi, uga difraksi elektron energi rendah. Pangukuran kasebut nuduhake rong domain kristal tunggal WS2 sing beda ing ngendi arah ΓK- utawa ΓK'-didadekake siji karo arah ΓK saka lapisan graphene. Dawane sisih domain beda-beda antarane 300 lan 700 nm, lan total jangkoan WS2 kira-kira ~ 40%, cocok kanggo analisis ARPES.
Eksperimen ARPES statis ditindakake kanthi analisa hemisferik (SPECS PHOIBOS 150) nggunakake sistem detektor piranti sing dipasangi daya kanggo deteksi energi elektron lan momentum rong dimensi. Radiasi He Iα monokromatik sing ora terpolarisasi (21.2 eV) saka sumber discharge He fluks dhuwur (VG Scienta VUV5000) digunakake kanggo kabeh eksperimen fotoemisi. Résolusi energi lan sudut ing eksperimen kita luwih apik tinimbang 30 meV lan 0.3 ° (cocog karo 0.01 Å−1). Kabeh eksperimen ditindakake ing suhu kamar. ARPES minangka teknik sing sensitif banget ing permukaan. Kanggo ngetokake fotoelektron saka loro WS2 lan lapisan graphene, conto karo jangkoan WS2 ora lengkap ~ 40% digunakake.
Persiyapan tr-ARPES adhedhasar Titanium 1-kHz: Sapphire amplifier (Coherent Legend Elite Duo). 2 mJ daya output digunakake kanggo generasi harmonics dhuwur ing argon. Cahya ultraviolet ekstrem sing diasilake ngliwati monochromator kisi sing ngasilake pulsa probe 100-fs kanthi energi foton 26-eV. 8mJ daya output amplifier dikirim menyang amplifier parametrik optik (HE-TOPAS saka Konversi Cahya). Sinar sinyal ing energi foton 1-eV digandake frekuensi ing kristal beta barium borate kanggo entuk pulsa pompa 2-eV. Pangukuran tr-ARPES ditindakake kanthi analisa hemisferik (SPECS PHOIBOS 100). Energi sakabèhé lan résolusi temporal yaiku 240 meV lan 200 fs.
Materi tambahan kanggo artikel iki kasedhiya ing http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
Iki minangka artikel akses terbuka sing disebarake miturut syarat-syarat lisensi Creative Commons Attribution-NonCommercial, sing ngidini panggunaan, distribusi, lan reproduksi ing media apa wae, anggere asil panggunaan kasebut ora kanggo keuntungan komersial lan asale yen karya asline bener. dikutip.
CATETAN: Kita mung njaluk alamat email sampeyan supaya wong sing menehi rekomendasi kaca kasebut ngerti manawa sampeyan pengin ndeleng, lan iku dudu surat ajur. Kita ora njupuk alamat email.
Pitakonan iki kanggo nguji manawa sampeyan minangka pengunjung manungsa utawa ora lan kanggo nyegah kiriman spam otomatis.
Miturut Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Kita mbukak pemisahan daya ultrafast ing heterostruktur WS2 / graphene sing bisa ngidini injeksi spin optik menyang graphene.
Miturut Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Kita mbukak pemisahan daya ultrafast ing heterostruktur WS2 / graphene sing bisa ngidini injeksi spin optik menyang graphene.
© 2020 American Association for the Advancement of Science. Kabeh hak dilindhungi undhang-undhang. AAAS minangka mitra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef lan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Wektu kirim: Mei-25-2020