Користимо фотоемисиону спектроскопију са разлучивањем времена и угла (тр-АРПЕС) да бисмо истражили ултрабрзи пренос наелектрисања у епитаксијалној хетероструктури направљеној од монослоја ВС2 и графена. Ова хетероструктура комбинује предности полупроводника са директним размаком са јаком спин-орбитном спрегом и јаком интеракцијом светлости са материјом са онима полуметалних носача без масе са изузетно високом покретљивошћу и дугим веком обртања. Открили смо да се, након фотоексцитације у резонанцији на А-ексцитон у ВС2, фотопобуђене рупе брзо преносе у слој графена, док фотопобуђени електрони остају у ВС2 слоју. Утврђено је да резултирајуће пролазно стање одвојено од набоја има животни век од ~1 пс. Наше налазе приписујемо разликама у фазном простору расејања узрокованим релативним поравнањем ВС2 и графенских трака као што је откривено АРПЕС-ом високе резолуције. У комбинацији са спин-селективним оптичким побуђивањем, истраживана хетероструктура ВС2/графена могла би да обезбеди платформу за ефикасно оптичко спин убризгавање у графен.
Доступност многих различитих дводимензионалних материјала отворила је могућност стварања нових, на крају крајева, танких хетероструктура са потпуно новим функционалностима заснованим на прилагођеном диелектричном скринингу и разним ефектима изазваним близином (1–3). Реализовани су уређаји за проверу принципа за будућу примену у области електронике и оптоелектронике (4–6).
Овде се фокусирамо на епитаксијалне ван дер Валсове хетероструктуре које се састоје од једнослојног ВС2, полупроводника са директним размаком са јаком спин-орбитном спрегом и значајним спин цепањем структуре траке због нарушене инверзионе симетрије (7), и монослојног графена, полуметала. са конусном тракастом структуром и изузетно високом мобилношћу носача (8), узгајане на водоничним завршецима СиЦ(0001). Прве индикације за ултрабрз пренос наелектрисања (9–15) и ефекте спајања спин-орбита изазваних близином (16–18) чине ВС2/графен и сличне хетероструктуре обећавајућим кандидатима за будуће оптоелектронске (19) и оптоспинтронске (20) примене.
Намеравали смо да откријемо путеве опуштања фотогенерисаних парова електрон-рупа у ВС2/графену помоћу фотоемисионе спектроскопије са временским и угаоним разрешењем (тр-АРПЕС). У ту сврху побуђујемо хетероструктуру импулсима пумпе од 2 еВ који су резонантни за А-екситон у ВС2 (21, 12) и избацујемо фотоелектроне са другим временски одложеним импулсом сонде при енергији фотона од 26 еВ. Одређујемо кинетичку енергију и емисиони угао фотоелектрона помоћу хемисферичног анализатора као функцију кашњења сонде пумпе да бисмо добили приступ динамици носиоца који је разрешен импулсом, енергијом и временом. Резолуција енергије и времена је 240 меВ и 200 фс, респективно.
Наши резултати пружају директан доказ за ултрабрз пренос наелектрисања између епитаксијално поравнатих слојева, потврђујући прве индикације засноване на потпуно оптичким техникама у сличним ручно састављеним хетероструктурама са произвољним азимуталним поравнањем слојева (9–15). Поред тога, показујемо да је овај пренос наелектрисања веома асиметричан. Наша мерења откривају претходно незапажено пролазно стање одвојено од наелектрисања са фотопобуђеним електронима и рупама које се налазе у ВС2 и слоју графена, респективно, које живи ∼1 пс. Ми тумачимо наше налазе у смислу разлика у фазном простору расејања за пренос електрона и рупа узрокованих релативним поравнањем ВС2 и графенских трака као што је откривено АРПЕС-ом високе резолуције. У комбинацији са оптичким побуђивањем селективног спина и долине (22–25) ВС2/графенске хетероструктуре могу пружити нову платформу за ефикасно ултрабрзо оптичко спин ињекције у графен.
Слика 1А приказује АРПЕС мерење високе резолуције добијено помоћу хелијумске лампе тракасте структуре дуж ΓК-смера епитаксијалне ВС2/графенске хетероструктуре. Утврђено је да је Дираков конус допиран рупама са Дираковом тачком која се налази ∼0,3 еВ изнад равнотежног хемијског потенцијала. Утврђено је да је врх валентног појаса ВС2 који је подељен на спинове ∼1,2 еВ испод равнотежног хемијског потенцијала.
(А) Равнотежна фотоструја мерена дуж ΓК-смера са неполаризованом хелијумском лампом. (Б) Фотоструја за негативно кашњење пумпе и сонде мерено са п-поларизованим екстремним ултраљубичастим импулсима при 26-еВ енергије фотона. Испрекидане сиве и црвене линије означавају положај профила линија који се користе за издвајање прелазних вршних позиција на слици 2. (Ц) Промене фотострује изазване пумпом 200 фс након фотоексцитације при енергији фотона пумпе од 2 еВ са флуенсом пумпе од 2 мЈ/цм2. Добитак и губитак фотоелектрона приказани су црвеном и плавом бојом. Кутије означавају област интеграције за трагове сонде пумпе приказане на слици 3.
Слика 1Б приказује тр-АРПЕС снимак структуре траке близу ВС2 и К-тачака графена мерене са екстремним ултраљубичастим импулсима од 100 фс при енергији фотона од 26 еВ при негативном кашњењу сонде пумпе пре доласка импулса пумпе. Овде, спин цепање није решено због деградације узорка и присуства импулса пумпе од 2 еВ који изазива ширење просторног набоја спектралних карактеристика. Слика 1Ц приказује промене фотострује изазване пумпом у односу на слику 1Б при кашњењу сонде пумпе од 200 фс где сигнал сонде пумпе достиже свој максимум. Црвена и плава боја означавају добијање и губитак фотоелектрона, респективно.
Да бисмо детаљније анализирали ову богату динамику, прво смо одредили пролазне позиције врхова валентног појаса ВС2 и графенског π-појаса дуж испрекиданих линија на слици 1Б као што је детаљно објашњено у додатним материјалима. Открили смо да се валентни појас ВС2 помера нагоре за 90 меВ (слика 2А) и да се π-појас графена помера наниже за 50 меВ (слика 2Б). Утврђено је да је експоненцијални животни век ових померања 1,2 ± 0,1 пс за валентни појас ВС2 и 1,7 ± 0,3 пс за графенску π-траку. Ова померања врхова пружају први доказ пролазног пуњења два слоја, где додатно позитивно (негативно) наелектрисање повећава (смањује) енергију везивања електронских стања. Имајте на уму да је пораст валентног појаса ВС2 одговоран за истакнути сигнал сонде пумпе у области означеној црном кутијом на слици 1Ц.
Промена положаја врха валентног појаса ВС2 (А) и π-појаса графена (Б) као функција кашњења пумпе и сонде заједно са експоненцијалним уклапањима (дебеле линије). Животни век померања ВС2 у (А) је 1,2 ± 0,1 пс. Животни век померања графена у (Б) је 1,7 ± 0,3 пс.
Затим интегришемо сигнал сонде пумпе преко области означених обојеним оквирима на слици 1Ц и приказујемо резултујуће бројање као функцију кашњења сонде пумпе на слици 3. Крива 1 на слици 3 показује динамику фотопобуђени носачи близу дна проводног појаса ВС2 слоја са животним веком од 1,1 ± 0,1 пс добијеним од експоненцијално уклапање у податке (погледајте додатне материјале).
Трагови сонде пумпе као функција кашњења добијени интеграцијом фотострује преко области означене кутијама на слици 1Ц. Дебеле линије се експоненцијално уклапају у податке. Крива (1) Прелазна популација носиоца у проводном појасу ВС2. Крива (2) Сигнал пумпе-сонде π-опсеге графена изнад равнотежног хемијског потенцијала. Крива (3) Сигнал пумпе-сонде π-опсеге графена испод равнотежног хемијског потенцијала. Крива (4) Нето сигнал пумпе-сонде у валентном опсегу ВС2. Утврђено је да су животни век 1,2 ± 0,1 пс у (1), 180 ± 20 фс (појачање) и ∼2 пс (губитак) у (2) и 1,8 ± 0,2 пс у (3).
На кривинама 2 и 3 на слици 3, приказујемо сигнал сонде пумпе π-опсега графена. Открили смо да добитак електрона изнад равнотежног хемијског потенцијала (крива 2 на слици 3) има много краћи животни век (180 ± 20 фс) у поређењу са губитком електрона испод равнотежног хемијског потенцијала (1,8 ± 0,2 пс на кривој 3). Слика 3). Даље, утврђено је да се почетно појачање фотострује на кривој 2 на слици 3 претвара у губитак при т = 400 фс са животним веком од ∼2 пс. Утврђено је да асиметрија између појачања и губитка нема у сигналу сонде пумпе непокривеног једнослојног графена (види слику С5 у Додатним материјалима), што указује да је асиметрија последица међуслојног спајања у хетероструктури ВС2/графена. Уочавање краткотрајног добитка и дуготрајног губитка изнад и испод равнотежног хемијског потенцијала, респективно, указује да се електрони ефикасно уклањају из слоја графена након фотоексцитације хетероструктуре. Као резултат тога, слој графена постаје позитивно наелектрисан, што је у складу са повећањем енергије везивања π-појаса који се налази на слици 2Б. Померање наниже π-опсега уклања високоенергетски реп равнотежне Ферми-Диракове дистрибуције изнад равнотежног хемијског потенцијала, што делимично објашњава промену знака сигнала сонде пумпе на кривој 2 на слици 3. Ми ћемо показују у наставку да је овај ефекат додатно појачан пролазним губитком електрона у π-опсегу.
Овај сценарио је подржан нето сигналом пумпе-сонде валентног појаса ВС2 на кривој 4 на слици 3. Ови подаци су добијени интегрисањем бројања преко области коју даје црна кутија на слици 1Б која хвата електроне фотоемитиране из валентни појас при свим кашњењима пумпе и сонде. У оквиру експерименталних трака грешке, не налазимо индикације за присуство рупа у валентном појасу ВС2 за било које кашњење пумпе и сонде. Ово указује да се, након фотоексцитације, ове рупе брзо поново пуне у временској скали кратком у поређењу са нашом временском резолуцијом.
Да бисмо пружили коначан доказ за нашу хипотезу о ултра брзом раздвајању набоја у хетероструктури ВС2 / графена, одређујемо број рупа пренетих на слој графена као што је детаљно описано у Додатним материјалима. Укратко, транзијентна електронска дистрибуција π-опсега је опремљена Ферми-Дираковом дистрибуцијом. Број рупа је затим израчунат из резултујућих вредности за прелазни хемијски потенцијал и електронску температуру. Резултат је приказан на слици 4. Открили смо да се укупан број од ∼5 × 1012 рупа/цм2 преноси са ВС2 на графен са експоненцијалним животним веком од 1,5 ± 0,2 пс.
Промена броја рупа у π-опсегу као функција кашњења пумпе и сонде заједно са експоненцијалним уклапањем дајући животни век од 1,5 ± 0,2 пс.
Из налаза на Сл. 2 до 4, појављује се следећа микроскопска слика за ултрабрз пренос наелектрисања у хетероструктури ВС2/графена (слика 5). Фотоексцитација хетероструктуре ВС2/графена на 2 еВ доминантно насељава А-екситон у ВС2 (слика 5А). Додатна електронска побуда преко Дирацове тачке у графену, као и између ВС2 и графенских трака, енергетски су могућа, али знатно мање ефикасна. Фотопобуђене рупе у валентном појасу ВС2 се поново попуњавају електронима који потичу из графенске π-опсеге на временској скали кратком у поређењу са нашом временском резолуцијом (слика 5А). Фотопобуђени електрони у појасу проводљивости ВС2 имају животни век од ~1 пс (слика 5Б). Међутим, потребно је ∼ 2 пс да се попуне рупе у графенској π-траци (слика 5Б). Ово указује да, осим директног преноса електрона између ВС2 проводног појаса и графенског π-појаса, треба узети у обзир додатне путеве релаксације - вероватно преко дефектних стања (26) да би се разумела пуна динамика.
(А) Фотоексцитација при резонанцији на ВС2 А-ексцитон на 2 еВ убризгава електроне у проводни појас ВС2. Одговарајуће рупе у валентном појасу ВС2 се тренутно поново попуњавају електронима из графенске π-опсеге. (Б) Фотопобуђени носачи у проводном појасу ВС2 имају животни век од ~1 пс. Рупе у графенском π-појасу живе ∼2 пс, што указује на важност додатних канала расејања означених испрекиданим стрелицама. Црне испрекидане линије у (А) и (Б) указују на померање трака и промене у хемијском потенцијалу. (Ц) У пролазном стању, ВС2 слој је негативно наелектрисан док је слој графена позитивно наелектрисан. За спин-селективну побуду са кружно поларизованом светлошћу, очекује се да фотопобуђени електрони у ВС2 и одговарајуће рупе у графену покажу супротну спин поларизацију.
У прелазном стању, фотопобуђени електрони се налазе у проводном појасу ВС2, док се фотопобуђене рупе налазе у π-појасу графена (слика 5Ц). То значи да је слој ВС2 негативно наелектрисан, а слој графена позитивно. Ово објашњава прелазне помаке пикова (слика 2), асиметрију сигнала сонде графенске пумпе (криве 2 и 3 на слици 3), одсуство рупа у валентном појасу ВС2 (крива 4, слика 3) , као и додатне рупе у графенској π-траци (слика 4). Животни век овог стања одвојеног наелектрисања је ∼1 пс (крива 1, слика 3).
Слична пролазна стања раздвојена наелектрисањем примећена су у сродним ван дер Валсовим хетероструктурама направљеним од два полупроводника са директним размаком са поравнањем опсега типа ИИ и распоређеним појасом (27–32). Након фотоексцитације, нађено је да се електрони и рупе брзо крећу до дна проводног појаса и до врха валентног појаса, респективно, који се налазе у различитим слојевима хетероструктуре (27–32).
У случају наше ВС2/графенске хетероструктуре, енергетски најповољнија локација и за електроне и за рупе је на Фермијевом нивоу у слоју металног графена. Стога би се очекивало да се и електрони и рупе брзо преносе у графенски π-опсег. Међутим, наша мерења јасно показују да је пренос рупа (<200 фс) много ефикаснији од преноса електрона (∼1 пс). Ово приписујемо релативном енергетском поравнању ВС2 и графенских трака као што је приказано на слици 1А које нуди већи број доступних коначних стања за пренос рупа у поређењу са преносом електрона како је недавно предвиђено (14, 15). У овом случају, под претпоставком да је ВС2 појас ∼2 еВ, Диракова тачка графена и равнотежни хемијски потенцијал налазе се ∼0,5 и ∼0,2 еВ изнад средине појаса ВС2, респективно, нарушавајући симетрију електронске рупе. Откривамо да је број доступних коначних стања за пренос рупа ∼6 пута већи него за пренос електрона (погледајте додатне материјале), због чега се очекује да ће трансфер рупа бити бржи од преноса електрона.
Потпуна микроскопска слика уоченог ултрабрзог асиметричног преноса наелектрисања требало би, међутим, да узме у обзир и преклапање између орбитала које чине А-екситонску таласну функцију у ВС2 и графенског π-опсега, респективно, различито расејање електрона и електрона и фонона канали укључујући ограничења наметнута импулсом, енергијом, спином и псеудоспин конзервацијом, утицајем осцилације плазме (33), као и улогу могућег дисплацивног побуђивања кохерентних фононских осцилација које би могле посредовати у преносу наелектрисања (34, 35). Такође, могло би се спекулисати да ли се посматрано стање преноса наелектрисања састоји од екситона за пренос наелектрисања или слободних парова електрон-рупа (погледајте додатне материјале). Потребна су даља теоријска истраживања која превазилазе оквире овог рада да би се разјаснила ова питања.
Укратко, користили смо тр-АРПЕС за проучавање ултрабрзог међуслојног преноса наелектрисања у епитаксијалној ВС2/графенској хетероструктури. Открили смо да, када су побуђене у резонанцији на А-ексцитон ВС2 на 2 еВ, фотопобуђене рупе брзо прелазе у слој графена, док фотопобуђени електрони остају у ВС2 слоју. Ово смо приписали чињеници да је број расположивих коначних стања за пренос рупа већи него за пренос електрона. Утврђено је да је животни век пролазног стања одвојеног од наелектрисања ∼1 пс. У комбинацији са спин-селективним оптичким побуђивањем коришћењем кружно поларизоване светлости (22–25), уочени ултрабрзи пренос наелектрисања може бити праћен преносом спина. У овом случају, истраживана ВС2/графенска хетероструктура би се могла користити за ефикасно оптичко спин убризгавање у графен што резултира новим оптоспинтронским уређајима.
Узорци графена су узгајани на комерцијалним полупроводничким 6Х-СиЦ(0001) плочицама компаније СиЦристал ГмбХ. Н-допиране плочице су биле на оси са погрешним резом испод 0,5 °. СиЦ супстрат је нагризан водоником да би се уклониле огреботине и добиле правилне равне терасе. Чиста и атомски равна површина са Си-терминацијом је затим графитизована жарењем узорка у атмосфери Ар на 1300°Ц током 8 минута (36). На овај начин смо добили један слој угљеника где је сваки трећи атом угљеника формирао ковалентну везу са СиЦ супстратом (37). Овај слој је затим претворен у потпуно сп2-хибридизовани квази самостојећи графен допиран рупама путем интеркалације водоника (38). Ови узорци се називају графен/Х-СиЦ(0001). Цео процес је спроведен у комерцијалној Блацк Магиц комори за раст из Аиктрон-а. Раст ВС2 је изведен у стандардном реактору са врућим зидом хемијским таложењем паре ниског притиска (39, 40) коришћењем праха ВО3 и С са масеним односом од 1:100 као прекурсора. Прахови ВО3 и С су држани на 900 и 200 ° Ц, респективно. Прашак ВО3 је постављен близу супстрата. Аргон је коришћен као гас носач са протоком од 8 сццм. Притисак у реактору је одржаван на 0,5 мбар. Узорци су окарактерисани секундарном електронском микроскопијом, микроскопијом атомске силе, Рамановом и фотолуминисцентном спектроскопијом, као и нискоенергетском дифракцијом електрона. Ова мерења су открила два различита монокристална домена ВС2 где је или ΓК- или ΓК'-правац усклађен са ΓК-правцем слоја графена. Дужина стране домена варирала је између 300 и 700 нм, а укупна покривеност ВС2 била је приближно 40%, погодна за АРПЕС анализу.
Статички АРПЕС експерименти су изведени са хемисферичним анализатором (СПЕЦС ПХОИБОС 150) коришћењем система уређај-детектор са спрегнутим пуњењем за дводимензионалну детекцију енергије и импулса електрона. За све фотоемисионе експерименте коришћено је неполаризовано, монохроматско Хе Иα зрачење (21,2 еВ) извора Хе флуксног пражњења (ВГ Сциента ВУВ5000). Енергетска и угаона резолуција у нашим експериментима биле су боље од 30 меВ и 0,3° (што одговара 0,01 А−1), респективно. Сви експерименти су спроведени на собној температури. АРПЕС је изузетно површински осетљива техника. За избацивање фотоелектрона и из ВС2 и из слоја графена, коришћени су узорци са непотпуном покривеношћу ВС2 од ∼40%.
Тр-АРПЕС подешавање је било засновано на 1-кХз Титан:Саппхире појачалу (Цохерент Легенд Елите Дуо). 2 мЈ излазне снаге је коришћено за стварање високих хармоника у аргону. Резултирајућа екстремна ултраљубичаста светлост прошла је кроз решеткасти монохроматор производећи импулсе сонде од 100 фс при енергији фотона од 26 еВ. 8мЈ излазне снаге појачала послато је у оптички параметарски појачавач (ХЕ-ТОПАС из Лигхт Цонверсион). Сигнални сноп при енергији фотона од 1 еВ је удвостручен фреквенцијом у кристалу бета баријум бората да би се добили импулси пумпе од 2 еВ. Тр-АРПЕС мерења су обављена хемисферичним анализатором (СПЕЦС ПХОИБОС 100). Укупна енергетска и временска резолуција биле су 240 меВ и 200 фс, респективно.
Додатни материјал за овај чланак је доступан на хттп://адванцес.сциенцемаг.орг/цги/цонтент/фулл/6/20/еааи0761/ДЦ1
Ово је чланак отвореног приступа који се дистрибуира под условима лиценце Цреативе Цоммонс Аттрибутион-НонЦоммерциал, која дозвољава употребу, дистрибуцију и репродукцију у било ком медију, све док резултирајућа употреба није у комерцијалне сврхе и под условом да је оригинално дело исправно цитирано.
НАПОМЕНА: Вашу адресу е-поште захтевамо само да би особа којој препоручујете страницу знала да сте желели да је види и да то није нежељена пошта. Не хватамо ниједну адресу е-поште.
Ово питање је за тестирање да ли сте човек или не и за спречавање аутоматског слања нежељене поште.
Аутори: Свен Аесцхлиманн, Антонио Росси, Маријана Чавес-Сервантес, Разван Краусе, Бенито Арнолди, Бењамин Стадтмуллер, Мартин Аесцхлиманн, Стивен Форти, Филиппо Фаббри, Цамилла Цолетти, Исабелла Гиерз
Откривамо ултрабрзо раздвајање набоја у хетероструктури ВС2/графена која би могла омогућити оптичку спин ињекцију у графен.
Аутори: Свен Аесцхлиманн, Антонио Росси, Маријана Чавес-Сервантес, Разван Краусе, Бенито Арнолди, Бењамин Стадтмуллер, Мартин Аесцхлиманн, Стивен Форти, Филиппо Фаббри, Цамилла Цолетти, Исабелла Гиерз
Откривамо ултрабрзо раздвајање набоја у хетероструктури ВС2/графена која би могла омогућити оптичку спин ињекцију у графен.
© 2020 Америчко удружење за унапређење науке. Сва права задржана. АААС је партнер ХИНАРИ, АГОРА, ОАРЕ, ЦХОРУС, ЦЛОЦКСС, ЦроссРеф и ЦОУНТЕР.Сциенце Адванцес ИССН 2375-2548.
Време објаве: 25.05.2020