اسان استعمال ڪريون ٿا وقت- ۽ زاويه-حل ٿيل ڦوٽو ايميشن اسپيڪٽروڪوپي (tr-ARPES) هڪ epitaxial heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ چارج جي منتقلي جي تحقيق ڪرڻ لاءِ جيڪو monolayer WS2 ۽ graphene مان ٺهيل آهي. هي هيٽرو اسٽريچر هڪ سڌي-گيپ سيميڪنڊڪٽر جي فائدن کي گڏ ڪري ٿو مضبوط اسپن-آربٽ ڪوپلنگ ۽ مضبوط لائيٽ-مٽر رابطي سان گڏ هڪ سيميٽل هوسٽنگ ماس بيس ڪيريئرز سان انتهائي تيز متحرڪ ۽ ڊگهي اسپن لائف ٽائمز سان. اسان اهو ڳوليندا آهيون ته، WS2 ۾ A-exciton جي گونج تي فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوء، فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ تيزيء سان گرافين جي پرت ۾ منتقل ٿي ويندا آهن جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران WS2 پرت ۾ رهندا آهن. نتيجي ۾ چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالت ∼1 ps جي زندگي گذارڻ لاءِ ملي ٿي. اسان اسان جي نتيجن کي منسوب ڪريون ٿا پکيڙڻ واري مرحلي جي جاءِ ۾ اختلافن جي ڪري WS2 ۽ گرافيني بينڊ جي لاڳاپي واري ترتيب جي ڪري جيئن اعليٰ ريزوليوشن ARPES پاران ظاهر ڪيو ويو آهي. اسپن-منتخب آپٽيڪل جوش سان گڏ، تحقيق ڪيل WS2/graphene heterostructure شايد گرافيني ۾ موثر آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ پليٽ فارم مهيا ڪري.
ڪيترن ئي مختلف ٻه-dimensional مواد جي دستيابي ناول حتمي طور تي پتلي heterostructures ٺاهڻ جو امڪان کولي ڇڏيو آهي مڪمل طور تي نئين ڪارڪردگيءَ سان ٺهڪندڙ ڊائليڪٽر اسڪريننگ ۽ مختلف قربت-حوصلہ افزائي اثرات (1-3). اليڪٽرانڪس ۽ آپٽو اليڪٽرونڪس جي شعبي ۾ مستقبل جي ايپليڪيشنن لاءِ پروپ آف پرنسپل ڊوائيسز (4-6).
هتي، اسان epitaxial van der Waals heterostructures تي ڌيان ڏيون ٿا جنهن ۾ monolayer WS2، هڪ سڌو-گيپ سيميڪنڊڪٽر آهي جيڪو مضبوط اسپن-مرڪب ڪوپلنگ سان آهي ۽ ٽوٽل انورسيشن سميٽري (7) جي ڪري بينڊ ڍانچي جي وڏي اسپن اسپلٽنگ (7)، ۽ مونوليئر گرافين، هڪ سيميٽري. مخروطي بينڊ جي جوڙجڪ سان ۽ انتهائي اعلي ڪيريئر موبلٽي (8)، هائڊروجن ختم ٿيل سي سي (0001) تي وڌي وئي. الٽرا فاسٽ چارج جي منتقلي لاءِ پهريون اشارا (9-15) ۽ قربت-حوصلہ افزائي اسپن-مرڪب ملائڻ واري اثرات (16-18) WS2/graphene ۽ ساڳيا هيٽرو اسٽريچرز کي مستقبل جي آپٽو اليڪٽرڪ (19) ۽ آپٽو اسپنٽرونڪ (20) ايپليڪيشنن لاءِ اميدوار اميدوارن کي ٺاهيندا آهن.
اسان WS2/graphene ۾ ڦوٽو پيدا ٿيل اليڪٽران-هول جوڙن جي آرام واري رستا کي وقت- ۽ زاويه-حل ٿيل ڦوٽو ايميشن اسپيڪٽروڪوپي (tr-ARPES) سان ظاهر ڪرڻ لاءِ نڪتاسين. انهيءَ مقصد لاءِ، اسان هيٽرسٽرڪچر کي 2-eV پمپ پلسز سان گڏ WS2 (21، 12) ۾ A-exciton جي گونج سان گڏ ڪريون ٿا ۽ 26-eV فوٽوان توانائي تي ٻئي وقت جي دير سان پروب پلس سان فوٽو اليڪٽران کي خارج ڪريون ٿا. اسان رفتار-، توانائي-، ۽ وقت-حل ٿيل ڪيريئر ڊائنامڪس تائين رسائي حاصل ڪرڻ لاءِ پمپ-پروب دير جي فنڪشن جي طور تي هيمسفريڪل اينالائيزر سان فوٽو اليڪٽران جي متحرڪ توانائي ۽ اخراج زاويه جو تعين ڪريون ٿا. توانائي ۽ وقت جي قرارداد 240 meV ۽ 200 fs، ترتيب سان.
اسان جا نتيجا epitaxially ترتيب ڏنل تہن جي وچ ۾ الٽرا فاسٽ چارج جي منتقلي لاءِ سڌو ثبوت مهيا ڪن ٿا، پهرين اشارن جي تصديق ڪن ٿا آل-آپٽيڪل ٽيڪنڪ جي بنياد تي ساڳي دستي طور تي گڏ ڪيل هيٽرسٽرڪٽرز ۾ تہن جي خودمختيار azimuthal ترتيب سان (9-15). ان کان علاوه، اسان ڏيکاريون ٿا ته هي چارج جي منتقلي انتهائي غير معمولي آهي. اسان جي ماپن مان ظاهر ٿئي ٿو ته اڳ ۾ غير مشاهدو ٿيل چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالت سان فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران ۽ سوراخ WS2 ۽ گرافيني پرت ۾ واقع آهن، ترتيب سان، جيڪا ∼1 ps تائين رهي ٿي. اسان اسان جي نتيجن جي تشريح ڪريون ٿا اليڪٽران ۽ سوراخ جي منتقلي لاءِ اسٽيٽرنگ اسٽيج اسپيس ۾ فرق جي لحاظ کان جيڪو WS2 ۽ گرافيني بينڊ جي لاڳاپي واري ترتيب جي ڪري آهي جيئن اعليٰ ريزوليوشن ARPES پاران ظاهر ڪيو ويو آهي. گڏيل اسپن- ۽ وادي- چونڊ آپٽيڪل جوش سان گڏ (22-25) WS2/graphene heterostructures شايد گرافين ۾ موثر الٽرا فاسٽ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ هڪ نئون پليٽ فارم مهيا ڪري سگھن ٿا.
شڪل 1A ڏيکاري ٿو هڪ اعلي ريزوليوشن ARPES ماپ حاصل ڪئي بينڊ ڍانچي جي هيليم لیمپ سان گڏ ΓK-ڊائريڪشن epitaxial WS2/graphene heterostructure سان. Dirac مخروط کي سوراخ-ڊوپ ٿيل مليو آهي Dirac پوائنٽ سان ∼0.3 eV برابري واري ڪيميائي صلاحيت کان مٿي. اسپن-سپلٽ WS2 والنس بينڊ جو مٿيون حصو ∼ 1.2 eV آهي برابري واري ڪيميائي صلاحيت کان هيٺ.
(الف) ΓK-ڊائريڪشن سان گڏ هڪ غير قطبي هيليم ليمپ سان ماپيل مساوات فوٽو ڪرنٽ. (ب) ناڪاري پمپ-تحقيق جي دير لاءِ ڦوٽو ڪرنٽ ماپيل پي-پولرائيز انتهائي الٽراوائلٽ دال سان 26-eV فوٽوان توانائي تي. ڊش ٿيل گرين ۽ ڳاڙهي لائينون تصوير 2 ۾ عارضي چوٽي جي پوزيشن کي ڪڍڻ لاءِ استعمال ٿيندڙ لائين پروفائلز جي پوزيشن کي نشانو بڻائين ٿيون. (C) پمپ فلوئنس سان 2 eV جي پمپ فوٽوان انرجي تي فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ ڦوٽو ڪرنٽ 200 fs جون پمپ-Induced تبديليون جي 2 mJ/cm2. فوٽو اليڪٽران جو فائدو ۽ نقصان ڳاڙهي ۽ نيري رنگ ۾ ڏيکاريو ويو آهي. بڪس ڏيکاري ٿو انضمام واري علائقي کي پمپ-پروب جي نشانين لاءِ جيڪو تصوير 3 ۾ ڏيکاريل آهي.
شڪل 1B ڏيکاري ٿو هڪ tr-ARPES سنيپ شاٽ بئنڊ جي جوڙجڪ جو WS2 جي ويجهو ۽ گرافين K-پوائنٽس 100-fs انتهائي الٽرا وائلٽ دال سان ماپيل 26-eV فوٽوان توانائي تي منفي پمپ پلس جي اچڻ کان اڳ ۾ دير سان. هتي، اسپن جي ورهاڱي کي حل نه ڪيو ويو آهي ڇاڪاڻ ته نموني جي خراب ٿيڻ ۽ 2-eV پمپ جي نبض جي موجودگي جيڪا اسپيڪٽرل خاصيتن جي اسپيس چارج کي وسيع ڪري ٿي. تصوير 1C تصوير 1B جي حوالي سان ڦوٽو ڪرنٽ جي پمپ-حوصلي واري تبديلين کي ڏيکاري ٿو 200 fs جي پمپ-پروب جي دير تي جتي پمپ-پروب سگنل پنهنجي وڌ ۾ وڌ پهچي ٿو. ڳاڙهي ۽ نيري رنگ ظاهر ڪن ٿا فوٽو اليڪٽرانڪس جي حاصلات ۽ نقصان، ترتيب سان.
وڌيڪ تفصيل سان ھن رچ ڊينامڪس جو تجزيو ڪرڻ لاءِ، اسان پھريون WS2 والنس بينڊ ۽ گرافين π-بينڊ جي عارضي چوٽي واري پوزيشن کي شڪل 1B ۾ ڊيش ٿيل لائينن سان گڏ بيان ڪريون ٿا جيئن اضافي مواد ۾ تفصيل سان بيان ڪيو ويو آھي. اسان کي معلوم ٿئي ٿو ته WS2 والنس بينڊ 90 meV (Fig. 2A) کان مٿي شفٽ ٿئي ٿو ۽ گرافين π-بينڊ 50 meV (تصوير 2B) کان ھيٺ لھي ٿو. انهن شفٽن جي لڳاتار زندگيءَ جو اندازو WS2 جي والنس بينڊ لاءِ 1.2 ± 0.1 ps ۽ graphene π-band لاءِ 1.7 ± 0.3 ps ملي ٿو. اهي چوٽي شفٽون ٻن تہن جي عارضي چارجنگ جو پهريون ثبوت مهيا ڪن ٿيون، جتي اضافي مثبت (منفي) چارج وڌائي ٿو (گهٽائي) برقي رياستن جي پابند توانائي. نوٽ ڪريو ته WS2 والنس بينڊ جو اپ شفٽ، تصوير 1C ۾ بليڪ باڪس جي نشان لڳل علائقي ۾ نمايان پمپ-پروب سگنل لاءِ ذميوار آھي.
WS2 valence band (A) ۽ graphene π-band (B) جي چوٽي واري پوزيشن ۾ تبديلي پمپ-تحقيق جي دير جي ڪم جي طور تي گڏوگڏ تيزيءَ واري فٽ (ٿلهي لائينن) سان گڏ. (A) ۾ WS2 شفٽ جي زندگي 1.2 ± 0.1 ps آهي. (B) ۾ گرافيني شفٽ جي حياتي 1.7 ± 0.3 ps آهي.
ان کان پوءِ، اسان تصوير 1C ۾ رنگين باڪسز جي نشاندهي ڪيل علائقن تي پمپ-پروب سگنل کي ضم ڪريون ٿا ۽ نتيجن جي انگن اکرن کي تصوير 3 ۾ پمپ-پروب جي دير جي ڪارڪردگي جي طور تي پلاٽ ڪريون ٿا. تصوير 3 ۾ وکر 1 ڏيکاري ٿو. فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل ڪيريئرز WS2 پرت جي ڪنڊڪشن بينڊ جي تري جي ويجهو 1.1 ± 0.1 ps جي لائف ٽائم سان گڏ ڊيٽا کي ايڪسپورنشنل فٽ مان حاصل ڪيا ويا (ڏسو اضافي مواد).
تصوير 1C ۾ بڪس پاران ظاهر ڪيل علائقي تي فوٽو ڪرنٽ کي ضم ڪرڻ سان حاصل ڪيل دير جي ڪارڪردگي جي طور تي پمپ-پروب جا نشان. ٿلهي لائينون ڊيٽا لاءِ تيزيءَ سان ٺھيل آھن. وکر (1) WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ عارضي ڪيريئر جي آبادي. وکر (2) graphene جي π-band جو پمپ-تحقيق سگنل برابري واري ڪيميائي صلاحيت کان مٿي. وکر (3) مساوات واري ڪيميائي صلاحيت کان هيٺ گرافين جي π-band جو پمپ-پروب سگنل. وکر (4) نيٽ پمپ-پروب سگنل WS2 جي ويلنس بينڊ ۾. لائف ٽائيم مليا آهن 1.2 ± 0.1 ps in (1)، 180 ± 20 fs (نفعو) ۽ ∼2 ps (نقصان) ۾ (2)، ۽ 1.8 ± 0.2 ps (3) ۾.
تصوير 3 جي وکر 2 ۽ 3 ۾، اسان گرافين π-بينڊ جو پمپ-پروب سگنل ڏيکاريون ٿا. اسان کي معلوم ٿئي ٿو ته اليڪٽرانن جي حاصلات کي توازن واري ڪيميائي صلاحيت کان مٿانهون (وکر 2 تصوير 3 ۾) هڪ تمام ننڍو وقت آهي (180 ± 20 fs) برابري واري ڪيميائي صلاحيت کان هيٺ اليڪٽرانن جي نقصان جي مقابلي ۾ (وکر 3 ۾ 1.8 ± 0.2 ps). تصوير 3). ان کان علاوه، تصوير 3 جي وکر 2 ۾ ڦوٽو ڪرنٽ جو ابتدائي فائدو ٽ = 400 fs تي نقصان ۾ بدلجي ويو آهي ۽ ∼2 ps جي زندگي گذارڻ سان. نفعو ۽ نقصان جي وچ ۾ اڻ برابري اڻڄاڻ ٿيل مونوليئر گرافين جي پمپ-پروب سگنل ۾ غير حاضر ملي ٿي (ڏسو تصوير. S5 ضمني مواد ۾)، اهو ظاهر ڪري ٿو ته عدم توازن WS2/graphene heterostructure ۾ interlayer coupling جو نتيجو آهي. هڪ مختصر مدت جي فائدي جو مشاهدو ۽ ڊگھي زندگي جي نقصان جو مٿي ۽ هيٺان توازن ڪيميائي صلاحيت، ترتيب سان، اشارو ڪري ٿو ته اليڪٽرانڪس کي موثر طريقي سان هٽايو ويو آهي گرافيني پرت کان هٽيروسٽرڪچر جي فوٽو ايڪسائيٽيشن تي. نتيجي طور، گرافيني پرت مثبت طور تي چارج ٿي ويندي آهي، جيڪا تصوير 2B ۾ مليل π-band جي پابند توانائي جي واڌ سان مطابقت رکي ٿي. π-بينڊ جي ھيٺان ڦيرڦار مساوات فرمي-ڊيرڪ ورهائڻ جي اعلي توانائي واري دم کي توازن واري ڪيميائي صلاحيت کان مٿانهون ختم ڪري ٿي، جيڪا جزوي طور تي تصوير 3 جي وکر 2 ۾ پمپ-پروب سگنل جي نشاني جي تبديلي جي وضاحت ڪندي. هيٺ ڏيکاريو ته اهو اثر π-band ۾ اليڪٽرانن جي عارضي نقصان جي ڪري وڌيڪ وڌايو ويو آهي.
هي منظر تصوير 3 جي وکر 4 ۾ WS2 والنس بينڊ جي نيٽ پمپ-پروب سگنل جي مدد سان حاصل ڪيو ويو آهي. اهي ڊيٽا تصوير 1B ۾ بليڪ باڪس پاران ڏنل علائقي جي ڳڻپ کي گڏ ڪندي حاصل ڪيا ويا آهن جيڪي اليڪٽران فوٽوز کي پڪڙي ٿو. ويلنس بينڊ تمام پمپ-تحقيق جي دير تي. تجرباتي غلطي جي بارن جي اندر، اسان ڪنهن به پمپ-تحقيق جي دير لاء WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ سوراخ جي موجودگي لاء ڪو اشارو نه ڳوليندا آهيون. اهو ظاهر ڪري ٿو ته، فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوء، اهي سوراخ اسان جي عارضي قرارداد جي ڀيٽ ۾ مختصر وقت تي تيزيء سان ڀريل آهن.
WS2/graphene heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ چارج جي علحدگيءَ جي اسان جي مفروضي لاءِ حتمي ثبوت مهيا ڪرڻ لاءِ، اسان گرافيني پرت ۾ منتقل ٿيل سوراخن جو تعداد طئي ڪريون ٿا جيئن اضافي مواد ۾ تفصيل سان بيان ڪيو ويو آھي. مختصر ۾، π-band جي عارضي برقي تقسيم کي فرمي-ڊيرڪ تقسيم سان لڳايو ويو. ان کان پوء سوراخ جو تعداد ڳڻپيو ويو هو نتيجن جي قيمتن مان منتقلي ڪيميائي صلاحيت ۽ برقي حرارت لاء. نتيجو تصوير 4 ۾ ڏيکاريل آهي. اسان کي معلوم ٿئي ٿو ته ڪل تعداد ∼5 × 1012 سوراخ/cm2 WS2 کان گرافين ڏانهن 1.5 ± 0.2 ps جي exponential lifetime سان منتقل ڪيا ويا آهن.
π-بينڊ ۾ سوراخ جي تعداد جي تبديلي پمپ-تحقيق جي دير جي ڪم جي طور تي، ان سان گڏ 1.5 ± 0.2 ps جي حياتيءَ لاءِ exponential fit حاصل ڪري ٿو.
انجير جي نتيجن مان. 2 کان 4، WS2/graphene heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ چارج جي منتقلي لاءِ ھيٺيون خوردبيني تصوير نڪرندي آھي (تصوير 5). 2 eV تي WS2/graphene heterostructure جو فوٽو ايڪسائيٽيشن غالباً WS2 (Fig. 5A) ۾ A-exciton کي آباد ڪري ٿو. ڊيراڪ پوائنٽ ۾ گرافيني ۾ اضافي برقي حوصلا افزائي سان گڏوگڏ WS2 ۽ گرافين بينڊ جي وچ ۾ توانائي سان ممڪن آهي پر ڪافي گهٽ موثر. WS2 جي والنس بينڊ ۾ ڦوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ اسان جي عارضي ريزوليوشن (تصوير 5A) جي ڀيٽ ۾ مختصر وقت تي گرافين π-بينڊ مان نڪرندڙ اليڪٽرانن سان ڀريل هوندا آهن. WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ ڦوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران جي عمر ∼1 ps (تصوير 5B) آهي. بهرحال، گرافين π-بينڊ (تصوير 5B) ۾ سوراخن کي ٻيهر ڀرڻ لاءِ ∼2 ps لڳن ٿا. اهو ظاهر ڪري ٿو ته، WS2 ڪنڊڪشن بينڊ ۽ گرافيني π-بينڊ جي وچ ۾ سڌي اليڪٽران جي منتقلي کان سواء، اضافي آرام جا رستا - ممڪن طور تي خراب رياستن ذريعي (26) - مڪمل متحرڪ کي سمجهڻ لاء غور ڪرڻ جي ضرورت آهي.
(الف) 2 eV تي WS2 A-exciton جي گونج تي فوٽو ايڪسائيٽيشن اليڪٽران کي WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ داخل ڪري ٿي. WS2 جي والنس بينڊ ۾ لاڳاپيل سوراخ فوري طور تي گرافين π-بينڊ مان اليڪٽرانن سان ڀريل هوندا آهن. (ب) WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل ڪيريئرز جي زندگي ∼ 1 پي ايس آهي. graphene π-band ۾ سوراخ ∼2 ps لاءِ رهن ٿا، ڊيش ٿيل تيرن سان ظاهر ڪيل اضافي اسڪيٽرنگ چينلز جي اهميت کي ظاهر ڪن ٿا. (A) ۽ (B) ۾ ڪارا ڊيش لائينون بينڊ شفٽ ۽ ڪيميائي صلاحيت ۾ تبديلين کي ظاهر ڪن ٿيون. (سي) عارضي حالت ۾، WS2 پرت منفي طور تي چارج ڪيو ويندو آهي جڏهن ته گرافيني پرت مثبت طور تي چارج ڪيو ويندو آهي. گردشي طور تي پولرائزڊ روشني سان اسپن جي چونڊيل حوصلي لاءِ، WS2 ۾ فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران ۽ گرافيني ۾ لاڳاپيل سوراخن جي توقع ڪئي ويندي آهي ته مخالف اسپن پولرائزيشن کي ڏيکاري.
عارضي حالت ۾، فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران WS2 جي ڪنڪشن بينڊ ۾ رهندا آهن جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ گرافين جي π-بينڊ ۾ واقع آهن (تصوير 5C). هن جو مطلب آهي ته WS2 پرت منفي طور تي چارج ٿيل آهي ۽ گرافيني پرت مثبت طور تي چارج ٿيل آهي. هن حساب سان عارضي چوٽيءَ جي شفٽ (تصوير 2)، گرافين پمپ-پروب سگنل جي هڪجهڙائي (شڪل 3 جو وکر 2 ۽ 3)، WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ سوراخن جي غير موجودگي (وکر 4 تصوير 3) , گڏو گڏ اضافي سوراخ graphene π-band ۾ (تصوير 4). هن چارج کان الڳ ٿيل رياست جي زندگي ∼1 ps آهي (وکر 1 تصوير. 3).
ساڳئي طرح چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالتون لاڳاپيل وان ڊير والز هيٽرو اسٽريچرز ۾ ڏٺيون ويون آهن جيڪي ٻه سڌي-گپ سيمي ڪنڊڪٽرز مان ٺهيل آهن ٽائپ II بينڊ الائنمينٽ ۽ اسٽيج ٿيل بينڊ گيپ (27-32). ڦوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ، اليڪٽران ۽ سوراخ مليا ويا تيزيءَ سان ڪنڊڪشن بينڊ جي تري ۾ ۽ ويلنس بينڊ جي چوٽيءَ تائين، جيڪي هيٽرسٽرڪچر (27-32) جي مختلف پرتن ۾ واقع آهن.
اسان جي WS2/graphene heterostructure جي صورت ۾، اليڪٽران ۽ سوراخ ٻنهي لاءِ توانائيءَ جي لحاظ کان سڀ کان وڌيڪ سازگار جڳهه ميٽيلڪ گرافيني پرت ۾ فرمي سطح تي آهي. تنهن ڪري، هڪ اميد رکي ٿو ته ٻئي برقي ۽ سوراخ تيزيء سان گرافين π-بينڊ ڏانهن منتقل ڪن ٿا. بهرحال، اسان جي ماپ واضح طور تي ڏيکاري ٿو ته سوراخ جي منتقلي (<200 fs) اليڪٽران جي منتقلي (∼ 1 ps) کان وڌيڪ موثر آهي. اسان ان کي منسوب ڪريون ٿا WS2 جي لاڳاپي واري توانائي واري ترتيب ۽ گرافيني بينڊن کي جيئن تصوير 1A ۾ ظاهر ڪيو ويو آهي جيڪو اليڪٽران جي منتقلي جي مقابلي ۾ سوراخ جي منتقلي لاءِ موجود حتمي رياستن جو هڪ وڏو تعداد پيش ڪري ٿو جيئن تازو (14, 15) پاران متوقع آهي. موجوده صورت ۾، فرض ڪري هڪ ∼2 eV WS2 بينڊ گيپ، گرافين ڊيراڪ پوائنٽ ۽ متوازن ڪيميائي صلاحيت، ترتيب سان ∼0.5 ۽ ∼0.2 eV، WS2 بينڊ گيپ جي وچ کان مٿي، بريڪنگ اليڪٽران-هول سميٽري. اسان کي معلوم ٿئي ٿو ته سوراخ جي منتقلي لاءِ موجود حتمي رياستن جو تعداد ∼ 6 ڀيرا وڌيڪ آهي اليڪٽران جي منتقلي جي ڀيٽ ۾ (ڏسو ضمني مواد)، ڇو ته سوراخ جي منتقلي اليڪٽران جي منتقلي کان تيز ٿيڻ جي اميد رکي ٿي.
مشاهدو ڪيل الٽرا فاسٽ اسيميٽرڪ چارج جي منتقلي جي هڪ مڪمل خوردبيني تصوير، جڏهن ته، مدار جي وچ ۾ اوورليپ تي پڻ غور ڪيو وڃي ٿو جيڪو WS2 ۾ A-exciton wave function ۽ graphene π-band، ترتيبوار، مختلف اليڪٽران-اليڪٽران ۽ اليڪٽران-فونون اسڪيٽرنگ. چينلز جن ۾ رڪاوٽون شامل آهن جن ۾ رفتار، توانائي، اسپن ۽ سيڊوسپن ڪنزرويشن، پلازما اوسيليشنز جو اثر (33)، ۽ گڏوگڏ فونون اوسيليشنز جي هڪ ممڪن بي ترتيبي جوش جو ڪردار جيڪو چارج جي منتقلي ۾ ثالثي ڪري سگهي ٿو (34, 35) . انهي سان گڏ، هڪ اهو اندازو لڳائي سگھي ٿو ته ڇا مشاهدو چارج جي منتقلي رياست چارج جي منتقلي excitons يا مفت اليڪٽران-هول جوڑوں تي مشتمل آهي (ڏسو اضافي مواد). انهن مسئلن کي واضح ڪرڻ لاءِ موجوده مقالي جي دائري کان ٻاهر ايندڙ نظرياتي تحقيق جي ضرورت آهي.
تت ۾، اسان استعمال ڪيو آهي tr-ARPES هڪ epitaxial WS2 / graphene heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ انٽرليئر چارج جي منتقلي جو مطالعو ڪرڻ لاءِ. اسان ڏٺو ته، جڏهن 2 eV تي WS2 جي A-exciton جي گونج تي پرجوش ٿئي ٿو، فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ تيزيءَ سان گرافيني پرت ۾ منتقل ٿين ٿا جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران WS2 پرت ۾ رهن ٿا. اسان هن حقيقت کي منسوب ڪيو ته هول جي منتقلي لاءِ موجود حتمي رياستن جو تعداد اليڪٽران جي منتقلي کان وڌيڪ آهي. چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالت جي زندگي ∼ 1 پي ايس ملي وئي. سرڪلر پولرائزڊ لائٽ (22-25) استعمال ڪندي اسپن-منتخب آپٽيڪل اتساهه سان گڏ، مشاهدو الٽرا فاسٽ چارج جي منتقلي اسپين جي منتقلي سان گڏ ٿي سگهي ٿي. انهي صورت ۾، تحقيق ڪيل WS2/graphene heterostructure شايد گرافين ۾ موثر آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ استعمال ٿي سگهي ٿي جنهن جي نتيجي ۾ ناول آپٽ اسپنٽرونڪ ڊوائيسز.
گرافين جا نمونا سي ڪرسٽل GmbH کان ڪمرشل سيميڪنڊٽنگ 6H-SiC(0001) ويفرز تي پوکيا ويا. N-doped wafers 0.5° کان هيٺ غلط ڪٽ سان گڏ محور تي هئا. سي سي سبسٽريٽ هائڊروجن سان ٺهيل هئي سکريچز کي هٽائڻ ۽ باقاعده فليٽ ڇت حاصل ڪرڻ لاء. صاف ۽ ايٽمي طور تي فليٽ سي ختم ٿيل مٿاڇري کي پوءِ آر ماحول ۾ نموني کي 1300 ° C تي 8 منٽ (36) لاءِ annealing ڪندي گرافٽائيز ڪيو ويو. هن طريقي سان، اسان هڪ واحد ڪاربان پرت حاصل ڪئي جتي هر ٽيون ڪاربان ايٽم سي سي سبسٽريٽ (37) ڏانهن ڪوولنٽ بانڊ ٺاهي ٿو. هن پرت کي پوءِ مڪمل طور تي تبديل ڪيو ويو SP2-هائبرڊائزڊ quasi free-standing hole-doped graphene through hydrogen intercalation (38). اهي نمونا graphene/H-SiC (0001) طور حوالو ڏنو ويو آهي. سڄو عمل Aixtron کان تجارتي ڪارو جادو جي ترقي واري چيمبر ۾ ڪيو ويو. WS2 ترقي هڪ معياري گرم ڀت ري ايڪٽر ۾ ڪئي وئي هئي گهٽ پريشر ڪيميائي وانپ جمع (39, 40) WO3 ۽ S پائوڊر استعمال ڪندي 1:100 جي ماس تناسب سان اڳوڻن جي طور تي. WO3 ۽ S پائوڊر کي ترتيب سان 900 ۽ 200 ° C تي رکيو ويو. WO3 پائوڊر سبسٽريٽ جي ويجهو رکيل هو. آرگن کي 8 اسڪيم سي ايم جي وهڪري سان ڪيريئر گيس طور استعمال ڪيو ويو. ريڪٽر ۾ دٻاء 0.5 mbar تي رکيو ويو. نمونن کي ثانوي اليڪٽران مائڪرو اسڪوپي، ايٽمي قوت مائڪرو اسڪوپي، رامان، ۽ فوٽوولومينينس اسپيڪٽرو اسڪوپي، ۽ گڏوگڏ گھٽ توانائي واري اليڪٽران جي تفاوت سان منسوب ڪيو ويو. انهن ماپن ٻن مختلف WS2 سنگل-ڪرسٽل ڊومينز کي ظاهر ڪيو جتي يا ته ΓK- يا ΓK'-ڊائريڪشن گرافيني پرت جي ΓK-ڊائريڪشن سان جڙيل آهي. ڊومين جي پاسي جي ڊيگهه 300 ۽ 700 nm جي وچ ۾ مختلف هئي، ۽ ڪل WS2 ڪوريج تقريبن ∼ 40٪ تائين هئي، ARPES تجزيو لاء مناسب.
جامد ARPES تجربا هڪ هيمسفريڪل اينالائيزر (SPECS PHOIBOS 150) سان ڪيا ويا هڪ چارج-ڪپلڊ ڊيوائس-ڊٽيڪٽر سسٽم استعمال ڪندي اليڪٽران توانائي ۽ رفتار جي ٻه طرفي سڃاڻپ لاءِ. غير قطبي، مونوڪروميٽ He Iα تابڪاري (21.2 eV) هڪ هاءِ فلڪس هي ڊسچارج ماخذ (VG Scienta VUV5000) سڀني فوٽو اخراج جي تجربن لاءِ استعمال ڪيو ويو. اسان جي تجربن ۾ توانائي ۽ ڪنولر ريزوليوشن بالترتيب 30 meV ۽ 0.3° (0.01 Å−1 سان ملندڙ جلندڙ) کان بهتر هئا. سڀئي تجربا ڪمري جي حرارت تي ڪيا ويا. ARPES هڪ انتهائي سطحي حساس ٽيڪنڪ آهي. WS2 ۽ گرافيني پرت ٻنهي مان فوٽو اليڪٽران ڪڍڻ لاءِ، ∼40٪ جي نامڪمل WS2 ڪوريج سان نموني استعمال ڪيا ويا.
tr-ARPES سيٽ اپ 1-kHz ٽائيٽينيم تي ٻڌل هو: سيفائر ايمپليفائر (Coherent Legend Elite Duo). 2 mJ آئوٽ پاور جو استعمال ڪيو ويو آرگن ۾ اعلي هارمونڪس نسل لاءِ. نتيجي ۾ انتهائي الٽرا وائلٽ روشني هڪ گريٽنگ مونوڪرومٽر مان گذري ٿي جيڪا 26-eV فوٽوان توانائي تي 100-fs پروب پلس پيدا ڪري ٿي. 8mJ ايمپليفائر آئوٽ پٽ پاور هڪ آپٽيڪل پيراميٽرڪ ايمپليفائر ۾ موڪليو ويو (HE-TOPAS لائيٽ ڪنورشن کان). 1-eV ڦوٽون توانائي تي سگنل بيم 2-eV پمپ دال حاصل ڪرڻ لاءِ بيٽا بيريم بورٽ ڪرسٽل ۾ فريڪوئنسي ٻيڻو ڪيو ويو. TR-ARPES ماپون هڪ اڌ گولي تجزيه ڪندڙ (SPECS PHOIBOS 100) سان ڪيا ويا. مجموعي توانائي ۽ عارضي قرارداد 240 meV ۽ 200 fs، ترتيب سان.
هن آرٽيڪل لاءِ اضافي مواد موجود آهي http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
هي هڪ کليل رسائي وارو مضمون آهي ورهايو ويو Creative Commons Attribution-Noncommercial لائسنس جي شرطن جي تحت، جيڪو اجازت ڏئي ٿو استعمال، ورڇ، ۽ ورجائي ڪنهن به وچولي ۾، ايتري قدر جو نتيجو استعمال تجارتي فائدي لاءِ نه آهي ۽ مهيا ڪيو ويو اصل ڪم صحيح طرح سان آهي. حوالو ڏنو.
نوٽ: اسان صرف توهان جي اي ميل ايڊريس جي درخواست ڪريون ٿا ته جيئن توهان جنهن شخص کي صفحي جي سفارش ڪري رهيا آهيو اهو ڄاڻي ٿو ته توهان چاهيو ٿا ته اهي ان کي ڏسن، ۽ اهو فضول ميل نه آهي. اسان ڪنهن به اي ميل ايڊريس تي قبضو نه ڪندا آهيون.
هي سوال جاچڻ لاءِ آهي ته ڇا توهان هڪ انساني دورو ڪندڙ آهيو ۽ خودڪار اسپام جمع ڪرائڻ کي روڪڻ لاءِ.
Sven Aeschlimann، Antonio Rossi، Mariana Chavez-Cervantes، Razvan Krause، Benito Arnoldi، Benjamin Stadtmüller، Martin Aeschlimann، Stiven Forti، Filippo Fabbri، Camilla Coletti، Isabella Gierz پاران.
اسان هڪ WS2/graphene heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ چارج علحدگيءَ کي ظاهر ڪريون ٿا ممڪن طور تي گرافيني ۾ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن کي چالو ڪرڻ.
Sven Aeschlimann، Antonio Rossi، Mariana Chavez-Cervantes، Razvan Krause، Benito Arnoldi، Benjamin Stadtmüller، Martin Aeschlimann، Stiven Forti، Filippo Fabbri، Camilla Coletti، Isabella Gierz پاران.
اسان هڪ WS2/graphene heterostructure ۾ الٽرا فاسٽ چارج علحدگيءَ کي ظاهر ڪريون ٿا ممڪن طور تي گرافيني ۾ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن کي چالو ڪرڻ.
© 2020 آمريڪي ايسوسيئيشن فار دي ايڊوانسمينٽ آف سائنس. سڀ حق محفوظ آهن. AAAS HINARI، AGORA، OARE، CHORUS، CLOCKSS، CrossRef ۽ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 جو شريڪ آھي.
پوسٽ جو وقت: مئي-25-2020