ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో సమర్థవంతమైన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనకు ప్రత్యక్ష సాక్ష్యం

మోనోలేయర్ WS2 మరియు గ్రాఫేన్‌తో చేసిన ఎపిటాక్సియల్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీని పరిశోధించడానికి మేము సమయం మరియు కోణం-పరిష్కార ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)ని ఉపయోగిస్తాము. ఈ హెటెరోస్ట్రక్చర్ బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్‌తో డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రయోజనాలను మిళితం చేస్తుంది మరియు సెమీమెటల్ హోస్టింగ్ మాస్‌లెస్ క్యారియర్‌లతో చాలా ఎక్కువ చలనశీలత మరియు లాంగ్ స్పిన్ జీవితకాలాలతో బలమైన కాంతి-పదార్థ పరస్పర చర్యను మిళితం చేస్తుంది. WS2లోని A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వని వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత, ఫోటోఎక్సైటెడ్ రంధ్రాలు వేగంగా గ్రాఫేన్ పొరలోకి బదిలీ అవుతాయని మేము కనుగొన్నాము, అయితే ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు WS2 పొరలో ఉంటాయి. ఫలితంగా ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితి ∼1 ps జీవితకాలం ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది. అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడించిన విధంగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల సాపేక్ష అమరిక వల్ల ఏర్పడిన స్కాటరింగ్ ఫేజ్ స్పేస్‌లో తేడాలకు మేము మా పరిశోధనలను ఆపాదించాము. స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్‌తో కలిపి, పరిశోధించబడిన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఒక వేదికను అందించవచ్చు.

అనేక విభిన్న ద్విమితీయ పదార్థాల లభ్యత, తగిన విద్యుద్వాహక స్క్రీనింగ్ మరియు వివిధ సామీప్య-ప్రేరిత ప్రభావాలు (1–3) ఆధారంగా పూర్తిగా కొత్త కార్యాచరణలతో నవల చివరగా సన్నని హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను సృష్టించే అవకాశాన్ని తెరిచింది. ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో భవిష్యత్ అనువర్తనాల కోసం ప్రూఫ్-ఆఫ్-ప్రిన్సిపల్ పరికరాలు గ్రహించబడ్డాయి (4–6).

ఇక్కడ, మేము మోనోలేయర్ WS2తో కూడిన ఎపిటాక్సియల్ వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లపై దృష్టి పెడతాము, బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్‌తో కూడిన డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మరియు విరిగిన విలోమ సమరూపత (7) మరియు మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్, సెమీమెటల్ కారణంగా బ్యాండ్ స్ట్రక్చర్ యొక్క గణనీయమైన స్పిన్ విభజన. శంఖాకార బ్యాండ్ నిర్మాణం మరియు చాలా ఎక్కువ క్యారియర్ మొబిలిటీతో (8), పెరిగింది హైడ్రోజన్-ముగింపు SiC(0001). అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ (9–15) మరియు సామీప్య-ప్రేరిత స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ ఎఫెక్ట్స్ (16–18) కోసం మొదటి సూచనలు WS2/గ్రాఫేన్ మరియు ఇలాంటి హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను భవిష్యత్తులో ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ (19) మరియు ఆప్టోస్పింట్రోనిక్ (20) అప్లికేషన్‌ల కోసం అభ్యర్థులకు హామీ ఇస్తాయి.

మేము సమయం మరియు కోణం-పరిష్కార ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)తో WS2/గ్రాఫేన్‌లో ఫోటోజెనరేటెడ్ ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల సడలింపు మార్గాలను బహిర్గతం చేయడానికి బయలుదేరాము. ఆ ప్రయోజనం కోసం, మేము WS2 (21, 12)లోని A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వనించే 2-eV పంప్ పల్స్‌తో హెటెరోస్ట్రక్చర్‌ను ఉత్తేజపరుస్తాము మరియు 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద రెండవసారి ఆలస్యం చేయబడిన ప్రోబ్ పల్స్‌తో ఫోటోఎలెక్ట్రాన్‌లను ఎజెక్ట్ చేస్తాము. మొమెంటం-, ఎనర్జీ- మరియు సమయ-పరిష్కార క్యారియర్ డైనమిక్స్‌కు ప్రాప్యత పొందడానికి పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క విధిగా హెమిస్ఫెరికల్ ఎనలైజర్‌తో ఫోటోఎలెక్ట్రాన్‌ల యొక్క గతిశక్తి మరియు ఉద్గార కోణాన్ని మేము నిర్ణయిస్తాము. శక్తి మరియు సమయ స్పష్టత వరుసగా 240 meV మరియు 200 fs.

మా ఫలితాలు ఎపిటాక్సియల్‌గా సమలేఖనం చేయబడిన లేయర్‌ల మధ్య అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీకి ప్రత్యక్ష సాక్ష్యాలను అందిస్తాయి, లేయర్‌ల యొక్క ఏకపక్ష అజిముటల్ అలైన్‌మెంట్‌తో సారూప్య మానవీయంగా సమీకరించబడిన హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో ఆల్-ఆప్టికల్ టెక్నిక్‌ల ఆధారంగా మొదటి సూచనలను నిర్ధారిస్తుంది (9–15). అదనంగా, ఈ ఛార్జ్ బదిలీ అత్యంత అసమానంగా ఉందని మేము చూపుతాము. మా కొలతలు వరుసగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొరలో ఉన్న ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు మరియు రంధ్రాలతో గతంలో గమనించని ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితిని వెల్లడిస్తాయి, ఇవి వరుసగా ∼1 ps వరకు ఉంటాయి. అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడైన WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల సాపేక్ష అమరిక వలన ఏర్పడిన ఎలక్ట్రాన్ మరియు హోల్ బదిలీ కోసం స్కాటరింగ్ ఫేజ్ స్పేస్‌లో తేడాల పరంగా మేము మా పరిశోధనలను వివరిస్తాము. స్పిన్- మరియు వ్యాలీ-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్ (22-25) WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లతో కలిపి గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం కొత్త ప్లాట్‌ఫారమ్‌ను అందించవచ్చు.

ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ΓK- దిశలో బ్యాండ్ నిర్మాణం యొక్క హీలియం దీపంతో పొందిన అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES కొలతను మూర్తి 1A చూపిస్తుంది. డైరాక్ కోన్, సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత కంటే ∼0.3 eV ఉన్న డైరాక్ పాయింట్‌తో హోల్-డోప్ చేయబడినట్లు కనుగొనబడింది. స్పిన్-స్ప్లిట్ WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ పైభాగం సమతౌల్య రసాయన సామర్థ్యానికి దిగువన ∼1.2 eV ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది.

(A) పోలరైజ్డ్ హీలియం ల్యాంప్‌తో ΓK-దిశలో కొలవబడిన సమతౌల్య ఫోటోకరెంట్. (B) 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద p-పోలరైజ్డ్ ఎక్స్‌ట్రీమ్ అల్ట్రా వయొలెట్ పల్స్‌తో కొలవబడిన నెగటివ్ పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం కోసం ఫోటోకరెంట్. డాష్ చేసిన బూడిద మరియు ఎరుపు గీతలు అంజీర్ 2లోని తాత్కాలిక పీక్ పొజిషన్‌లను సంగ్రహించడానికి ఉపయోగించే లైన్ ప్రొఫైల్‌ల స్థానాన్ని సూచిస్తాయి. (C) పంప్ ఫ్లూయెన్స్‌తో 2 eV పంప్ ఫోటాన్ శక్తి వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత ఫోటోకరెంట్ 200 fs యొక్క పంప్-ప్రేరిత మార్పులు 2 mJ/cm2. ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ల లాభం మరియు నష్టం వరుసగా ఎరుపు మరియు నీలం రంగులలో చూపబడతాయి. బాక్స్‌లు అంజీర్ 3లో ప్రదర్శించబడిన పంప్-ప్రోబ్ ట్రేస్‌ల కోసం ఏకీకరణ ప్రాంతాన్ని సూచిస్తాయి.

మూర్తి 1B WS2కి దగ్గరగా ఉన్న బ్యాండ్ స్ట్రక్చర్ యొక్క tr-ARPES స్నాప్‌షాట్‌ను చూపిస్తుంది మరియు పంప్ పల్స్ రాకముందు నెగటివ్ పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద 26-eV ఫోటాన్ ఎనర్జీ వద్ద 100-fs విపరీతమైన అతినీలలోహిత పప్పులతో కొలవబడిన గ్రాఫేన్ K-పాయింట్‌లను చూపుతుంది. ఇక్కడ, నమూనా క్షీణత మరియు స్పెక్ట్రల్ లక్షణాల యొక్క స్పేస్ ఛార్జ్ విస్తరణకు కారణమయ్యే 2-eV పంప్ పల్స్ ఉనికి కారణంగా స్పిన్ విభజన పరిష్కరించబడలేదు. Figure 1C పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ గరిష్టంగా చేరుకునే 200 fs పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద Fig. 1Bకి సంబంధించి ఫోటోకరెంట్ యొక్క పంప్-ప్రేరిత మార్పులను చూపుతుంది. ఎరుపు మరియు నీలం రంగులు వరుసగా ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ల లాభం మరియు నష్టాన్ని సూచిస్తాయి.

ఈ రిచ్ డైనమిక్స్‌ను మరింత వివరంగా విశ్లేషించడానికి, సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్‌లో వివరంగా వివరించిన విధంగా అంజీర్ 1Bలోని డాష్ చేసిన లైన్‌ల వెంట WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క తాత్కాలిక పీక్ స్థానాలను మేము ముందుగా నిర్ణయిస్తాము. WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ 90 meV (Fig. 2A) ద్వారా పైకి మారుతుందని మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ 50 meV ద్వారా క్రిందికి మారుతుందని మేము కనుగొన్నాము (Fig. 2B). ఈ మార్పుల యొక్క ఘాతాంక జీవితకాలం WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌కు 1.2 ± 0.1 ps మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌కు 1.7 ± 0.3 psగా కనుగొనబడింది. ఈ పీక్ షిఫ్ట్‌లు రెండు లేయర్‌ల తాత్కాలిక ఛార్జింగ్‌కు మొదటి సాక్ష్యాన్ని అందిస్తాయి, ఇక్కడ అదనపు ధనాత్మక (ప్రతికూల) ఛార్జ్ ఎలక్ట్రానిక్ స్టేట్‌ల బైండింగ్ శక్తిని పెంచుతుంది (తగ్గుతుంది). WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క అప్‌షిఫ్ట్ అంజీర్ 1Cలో బ్లాక్ బాక్స్ ద్వారా గుర్తించబడిన ప్రదేశంలో ప్రముఖ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌కు బాధ్యత వహిస్తుందని గమనించండి.

ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్‌లతో (మందపాటి గీతలు) పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క విధిగా WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ (A) మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ (B) యొక్క పీక్ పొజిషన్‌లో మార్పు. (A)లో WS2 షిఫ్ట్ యొక్క జీవితకాలం 1.2 ± 0.1 ps. (B)లో గ్రాఫేన్ షిఫ్ట్ యొక్క జీవితకాలం 1.7 ± 0.3 ps.

తరువాత, మేము అంజీర్ 1Cలోని రంగు పెట్టెల ద్వారా సూచించబడిన ప్రాంతాలపై పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌ను ఏకీకృతం చేస్తాము మరియు అంజీర్ 3లో పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క విధిగా ఫలిత గణనలను ప్లాట్ చేస్తాము. అంజీర్. 3లోని కర్వ్ 1 డైనమిక్‌లను చూపుతుంది. 1.1 ± 0.1 ps జీవితకాలంతో WS2 లేయర్ యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువకు దగ్గరగా ఉన్న ఫోటోఎక్సైటెడ్ క్యారియర్లు డేటాకు ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్ నుండి (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి).

అంజీర్ 1Cలోని పెట్టెల ద్వారా సూచించబడిన ప్రాంతంపై ఫోటోకరెంట్‌ను ఏకీకృతం చేయడం ద్వారా పొందిన ఆలస్యం యొక్క విధిగా పంప్-ప్రోబ్ ట్రేస్‌లు. మందపాటి పంక్తులు డేటాకు ఘాతాంక సరిపోతాయి. కర్వ్ (1) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లో తాత్కాలిక క్యారియర్ జనాభా. కర్వ్ (2) సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. కర్వ్ (3) సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత క్రింద గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో కర్వ్ (4) నెట్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. జీవితకాలం 1.2 ± 0.1 ps in (1), 180 ± 20 fs (లాభం) మరియు (2) లో ~2 ps (నష్టం) మరియు (3) లో 1.8 ± 0.2 ps ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది.

అంజీర్ 3 యొక్క 2 మరియు 3 వక్రతలలో, మేము గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌ను చూపుతాము. సమతౌల్య రసాయన పొటెన్షియల్ (వక్రరేఖ 3లో 1.8 ± 0.2 ps) కంటే తక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌ల నష్టంతో పోలిస్తే, సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత (Fig. 3లోని కర్వ్ 2) కంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌ల లాభం చాలా తక్కువ జీవితకాలం (180 ± 20 fs) ఉందని మేము కనుగొన్నాము. అత్తి 3). ఇంకా, Fig. 3 యొక్క వక్రరేఖ 2లో ఫోటోకరెంట్ యొక్క ప్రారంభ లాభం ∼2 ps జీవితకాలంతో t = 400 fs వద్ద నష్టంగా మారుతుంది. అన్‌కవర్డ్ మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌లో లాభం మరియు నష్టాల మధ్య అసమానత ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది (అనుబంధ పదార్థాలలో ఫిగ్. S5 చూడండి), అసమానత అనేది WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో ఇంటర్‌లేయర్ కలపడం యొక్క పర్యవసానమని సూచిస్తుంది. సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన మరియు క్రింద స్వల్పకాలిక లాభం మరియు దీర్ఘకాలిక నష్టం వరుసగా, హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ఫోటోఎక్సిటేషన్పై గ్రాఫేన్ పొర నుండి ఎలక్ట్రాన్లు సమర్థవంతంగా తొలగించబడతాయని సూచిస్తుంది. ఫలితంగా, గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడుతుంది, ఇది అంజీర్ 2Bలో కనుగొనబడిన π-బ్యాండ్ యొక్క బైండింగ్ శక్తి పెరుగుదలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. π-బ్యాండ్ యొక్క డౌన్‌షిఫ్ట్ సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన నుండి సమతౌల్య ఫెర్మి-డైరాక్ పంపిణీ యొక్క అధిక-శక్తి తోకను తొలగిస్తుంది, ఇది అంజీర్ 3లోని వక్రత 2లో పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క సంకేతం యొక్క మార్పును పాక్షికంగా వివరిస్తుంది. π-బ్యాండ్‌లోని ఎలక్ట్రాన్‌ల యొక్క తాత్కాలిక నష్టం ద్వారా ఈ ప్రభావం మరింత మెరుగుపడుతుందని క్రింద చూపండి.

ఈ దృశ్యం అంజీర్. 3లోని వక్రరేఖ 4లోని WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క నెట్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ ద్వారా మద్దతునిస్తుంది. ఈ డేటా ఫిగ్. 1Bలోని బ్లాక్ బాక్స్ ఇచ్చిన ప్రాంతంపై గణనలను ఏకీకృతం చేయడం ద్వారా పొందబడింది, ఇది ఫోటోమిట్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్‌లను సంగ్రహిస్తుంది. అన్ని పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద వాలెన్స్ బ్యాండ్. ప్రయోగాత్మక లోపం పట్టీలలో, ఏదైనా పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం కోసం WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రాల ఉనికిని మేము గుర్తించలేదు. ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత, ఈ రంధ్రాలు మా తాత్కాలిక రిజల్యూషన్‌తో పోలిస్తే తక్కువ సమయ ప్రమాణంలో వేగంగా రీఫిల్ చేయబడతాయని ఇది సూచిస్తుంది.

WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజన యొక్క మా పరికల్పనకు తుది రుజువును అందించడానికి, అనుబంధ పదార్థాలలో వివరంగా వివరించిన విధంగా గ్రాఫేన్ పొరకు బదిలీ చేయబడిన రంధ్రాల సంఖ్యను మేము నిర్ణయిస్తాము. సంక్షిప్తంగా, π-బ్యాండ్ యొక్క తాత్కాలిక ఎలక్ట్రానిక్ పంపిణీ ఫెర్మి-డైరాక్ పంపిణీతో అమర్చబడింది. తాత్కాలిక రసాయన సంభావ్యత మరియు ఎలక్ట్రానిక్ ఉష్ణోగ్రత కోసం ఫలిత విలువల నుండి రంధ్రాల సంఖ్య లెక్కించబడుతుంది. ఫలితం అంజీర్ 4లో చూపబడింది. మొత్తం ∼5 × 1012 రంధ్రాలు/సెం.2 మొత్తం WS2 నుండి గ్రాఫేన్‌కి 1.5 ± 0.2 ps ఘాతాంక జీవితకాలంతో బదిలీ చేయబడిందని మేము కనుగొన్నాము.

పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క విధిగా π-బ్యాండ్‌లోని రంధ్రాల సంఖ్యను మార్చడంతోపాటు ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్‌తో పాటు జీవితకాలం 1.5 ± 0.2 ps.

అంజీర్లోని అన్వేషణల నుండి. 2 నుండి 4 వరకు, WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ కోసం క్రింది మైక్రోస్కోపిక్ చిత్రం ఉద్భవించింది (Fig. 5). 2 eV వద్ద WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ఫోటోఎక్సిటేషన్ WS2 (Fig. 5A)లో A-ఎక్సిటాన్‌ను ప్రధానంగా నింపుతుంది. గ్రాఫేన్‌లోని డైరాక్ పాయింట్‌లో మరియు WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల మధ్య అదనపు ఎలక్ట్రానిక్ ఉత్తేజితాలు శక్తివంతంగా సాధ్యమే కానీ చాలా తక్కువ సామర్థ్యం కలిగి ఉంటాయి. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి ఉద్భవించే ఎలక్ట్రాన్‌ల ద్వారా మా టెంపోరల్ రిజల్యూషన్ (Fig. 5A)తో పోలిస్తే తక్కువ టైమ్ స్కేల్‌లో రీఫిల్ చేయబడతాయి. WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు ∼1 ps జీవితకాలం (Fig. 5B) కలిగి ఉంటాయి. అయినప్పటికీ, గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ (Fig. 5B)లోని రంధ్రాలను రీఫిల్ చేయడానికి ∼2 ps పడుతుంది. WS2 కండక్షన్ బ్యాండ్ మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ మధ్య ప్రత్యక్ష ఎలక్ట్రాన్ బదిలీని పక్కన పెడితే, అదనపు సడలింపు మార్గాలు-బహుశా లోపభూయిష్ట స్థితుల ద్వారా (26)-పూర్తి డైనమిక్‌లను అర్థం చేసుకోవడానికి పరిగణించాల్సిన అవసరం ఉందని ఇది సూచిస్తుంది.

(A) 2 eV వద్ద WS2 A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వని వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోకి ఎలక్ట్రాన్‌లను ఇంజెక్ట్ చేస్తుంది. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని సంబంధిత రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్‌ల ద్వారా తక్షణమే రీఫిల్ చేయబడతాయి. (B) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ క్యారియర్లు జీవితకాలం ∼1 ps. గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని రంధ్రాలు ∼2 ps వరకు ఉంటాయి, ఇది డాష్ చేసిన బాణాల ద్వారా సూచించబడిన అదనపు స్కాటరింగ్ ఛానెల్‌ల యొక్క ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది. (A) మరియు (B)లోని బ్లాక్ డాష్డ్ లైన్‌లు బ్యాండ్ షిఫ్ట్‌లు మరియు రసాయన సంభావ్యతలో మార్పులను సూచిస్తాయి. (సి) తాత్కాలిక స్థితిలో, గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా ఛార్జ్ చేయబడినప్పుడు WS2 పొర ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతితో స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఉత్తేజితం కోసం, WS2లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు గ్రాఫేన్‌లోని సంబంధిత రంధ్రాలు వ్యతిరేక స్పిన్ ధ్రువణాన్ని చూపుతాయని భావిస్తున్నారు.

తాత్కాలిక స్థితిలో, ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లో ఉంటాయి, అయితే ఫోటోఎక్సైటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్‌లో ఉంటాయి (Fig. 5C). దీని అర్థం WS2 పొర ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడింది మరియు గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది. ఇది తాత్కాలిక పీక్ షిఫ్టులు (Fig. 2), గ్రాఫేన్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క అసమానత (Fig. 3 యొక్క వక్రతలు 2 మరియు 3), WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రాలు లేకపోవడం (కర్వ్ 4 ఫిగ్. 3) , అలాగే గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని అదనపు రంధ్రాలు (Fig. 4). ఈ ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన స్థితి యొక్క జీవితకాలం ∼1 ps (వక్రత 1 Fig. 3).

టైప్ II బ్యాండ్ అలైన్‌మెంట్ మరియు అస్థిరమైన బ్యాండ్‌గ్యాప్ (27–32)తో రెండు డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్‌లతో తయారు చేయబడిన సంబంధిత వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో ఇలాంటి చార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితులు గమనించబడ్డాయి. ఫోటోఎక్సిటేషన్ తరువాత, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు వరుసగా కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువకు మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ పైభాగానికి వేగంగా కదులుతున్నట్లు కనుగొనబడ్డాయి, ఇవి హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క వివిధ పొరలలో ఉన్నాయి (27-32).

మా WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ విషయంలో, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు రెండింటికీ శక్తివంతంగా అత్యంత అనుకూలమైన స్థానం మెటాలిక్ గ్రాఫేన్ పొరలో ఫెర్మి స్థాయిలో ఉంటుంది. అందువల్ల, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు రెండూ గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌కి వేగంగా బదిలీ అవుతాయని ఆశించవచ్చు. అయినప్పటికీ, ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ (∼1 ps) కంటే రంధ్ర బదిలీ (<200 fs) చాలా సమర్థవంతంగా పనిచేస్తుందని మా కొలతలు స్పష్టంగా చూపిస్తున్నాయి. ఇటీవల (14, 15) ద్వారా ఊహించిన విధంగా ఎలక్ట్రాన్ బదిలీతో పోలిస్తే రంధ్ర బదిలీ కోసం అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితులను పెద్ద సంఖ్యలో అందించే అంజీర్ 1Aలో వెల్లడించిన విధంగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల యొక్క సాపేక్ష శక్తివంతమైన అమరికకు మేము దీనిని ఆపాదించాము. ప్రస్తుత సందర్భంలో, ∼2 eV WS2 బ్యాండ్‌గ్యాప్‌ని ఊహిస్తే, గ్రాఫేన్ డైరాక్ పాయింట్ మరియు సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత వరుసగా WS2 బ్యాండ్‌గ్యాప్ మధ్యలో ∼0.5 మరియు ∼0.2 eV, ఎలక్ట్రాన్-హోల్ సమరూపతను విచ్ఛిన్నం చేస్తాయి. రంధ్ర బదిలీ కోసం అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే ∼6 రెట్లు పెద్దదని మేము కనుగొన్నాము (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి), అందుకే రంధ్ర బదిలీ ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే వేగంగా ఉంటుందని భావిస్తున్నారు.

గమనించిన అల్ట్రాఫాస్ట్ అసమాన ఛార్జ్ బదిలీ యొక్క పూర్తి మైక్రోస్కోపిక్ చిత్రం, అయితే, WS2 మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని A-ఎక్సిటాన్ వేవ్ ఫంక్షన్‌ను ఏర్పరిచే కక్ష్యల మధ్య అతివ్యాప్తిని కూడా పరిగణించాలి, వరుసగా వివిధ ఎలక్ట్రాన్-ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఎలక్ట్రాన్-ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ మొమెంటం, ఎనర్జీ, స్పిన్ మరియు సూడోస్పిన్ పరిరక్షణ, ప్లాస్మా ప్రభావం ద్వారా విధించబడిన అడ్డంకులు సహా ఛానెల్‌లు డోలనాలు (33), అలాగే ఛార్జ్ బదిలీకి మధ్యవర్తిత్వం వహించే కోహెరెంట్ ఫోనాన్ డోలనాల యొక్క సాధ్యమైన డిస్‌ప్లేసివ్ ఉత్తేజిత పాత్ర (34, 35). అలాగే, గమనించిన ఛార్జ్ బదిలీ స్థితి ఛార్జ్ ట్రాన్స్‌ఫర్ ఎక్సిటాన్‌లను లేదా ఉచిత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను కలిగి ఉందో లేదో ఊహించవచ్చు (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి). ఈ సమస్యలను స్పష్టం చేయడానికి ప్రస్తుత పేపర్ పరిధికి మించిన తదుపరి సైద్ధాంతిక పరిశోధనలు అవసరం.

సారాంశంలో, ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఇంటర్‌లేయర్ ఛార్జ్ బదిలీని అధ్యయనం చేయడానికి మేము tr-ARPESని ఉపయోగించాము. 2 eV వద్ద WS2 యొక్క A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వనితో ఉత్తేజితం అయినప్పుడు, ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు WS2 లేయర్‌లో ఉన్నప్పుడు ఫోటోఎక్సైటెడ్ రంధ్రాలు వేగంగా గ్రాఫేన్ పొరలోకి బదిలీ అవుతాయని మేము కనుగొన్నాము. ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే రంధ్ర బదిలీ కోసం అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య పెద్దదిగా ఉన్నందున మేము దీనిని ఆపాదించాము. ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితి యొక్క జీవితకాలం ∼1 psగా కనుగొనబడింది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతి (22-25) ఉపయోగించి స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్‌తో కలిపి, గమనించిన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ స్పిన్ బదిలీతో కలిసి ఉండవచ్చు. ఈ సందర్భంలో, పరిశోధించబడిన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఉపయోగించబడుతుంది, ఫలితంగా నవల ఆప్టోస్పింట్రోనిక్ పరికరాలు ఏర్పడతాయి.

SiCrystal GmbH నుండి వాణిజ్య సెమీకండక్టింగ్ 6H-SiC(0001) పొరలపై గ్రాఫేన్ నమూనాలను పెంచారు. N-డోప్డ్ పొరలు 0.5° కంటే తక్కువ మిస్‌కట్‌తో ఆన్-యాక్సిస్‌లో ఉన్నాయి. SiC సబ్‌స్ట్రేట్ గీతలు తొలగించడానికి మరియు సాధారణ ఫ్లాట్ టెర్రస్‌లను పొందేందుకు హైడ్రోజన్-చెక్కబడింది. శుభ్రమైన మరియు పరమాణుపరంగా చదునైన Si-ముగించిన ఉపరితలం 8 నిమిషాలు (36) 1300 ° C వద్ద Ar వాతావరణంలో నమూనాను ఎనియల్ చేయడం ద్వారా గ్రాఫిటైజ్ చేయబడింది. ఈ విధంగా, మేము ఒకే కార్బన్ పొరను పొందాము, ఇక్కడ ప్రతి మూడవ కార్బన్ అణువు SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌కు సమయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది (37). ఈ పొర హైడ్రోజన్ ఇంటర్‌కలేషన్ (38) ద్వారా పూర్తిగా sp2-హైబ్రిడైజ్డ్ క్వాసీ ఫ్రీ-స్టాండింగ్ హోల్-డోప్డ్ గ్రాఫేన్‌గా మార్చబడింది. ఈ నమూనాలను గ్రాఫేన్/H-SiC(0001)గా సూచిస్తారు. మొత్తం ప్రక్రియ Aixtron నుండి వాణిజ్య బ్లాక్ మ్యాజిక్ గ్రోత్ చాంబర్‌లో జరిగింది. WO3 మరియు S పౌడర్‌లను 1:100 ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తితో పూర్వగాములుగా ఉపయోగించి తక్కువ-పీడన రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (39, 40) ద్వారా ప్రామాణిక హాట్-వాల్ రియాక్టర్‌లో WS2 వృద్ధి జరిగింది. WO3 మరియు S పొడులు వరుసగా 900 మరియు 200 ° C వద్ద ఉంచబడ్డాయి. WO3 పౌడర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు దగ్గరగా ఉంచబడింది. ఆర్గాన్ 8 sccm ప్రవాహంతో క్యారియర్ గ్యాస్‌గా ఉపయోగించబడింది. రియాక్టర్‌లో ఒత్తిడి 0.5 mbar వద్ద ఉంచబడింది. నమూనాలను సెకండరీ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ, అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ, రామన్ మరియు ఫోటోల్యూమినిసెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీతో పాటు తక్కువ-శక్తి ఎలక్ట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్‌తో వర్గీకరించారు. ఈ కొలతలు రెండు వేర్వేరు WS2 సింగిల్-స్ఫటికాకార డొమైన్‌లను వెల్లడించాయి, ఇక్కడ ΓK- లేదా ΓK'-దిశ గ్రాఫేన్ పొర యొక్క ΓK-దిశతో సమలేఖనం చేయబడింది. డొమైన్ సైడ్ పొడవులు 300 మరియు 700 nm మధ్య మారుతూ ఉంటాయి మరియు మొత్తం WS2 కవరేజ్ సుమారుగా ∼ 40% వరకు ఉంటుంది, ఇది ARPES విశ్లేషణకు అనుకూలంగా ఉంటుంది.

ఎలక్ట్రాన్ శక్తి మరియు మొమెంటం యొక్క ద్విమితీయ గుర్తింపు కోసం ఛార్జ్-కపుల్డ్ డివైస్-డిటెక్టర్ సిస్టమ్‌ను ఉపయోగించి అర్థగోళ విశ్లేషణ (SPECS PHOIBOS 150)తో స్టాటిక్ ARPES ప్రయోగాలు జరిగాయి. అన్ని ఫోటోఎమిషన్ ప్రయోగాలకు అధిక-ఫ్లక్స్ He డిశ్చార్జ్ సోర్స్ (VG సైంటా VUV5000) యొక్క అన్‌పోలరైజ్డ్, మోనోక్రోమాటిక్ He Iα రేడియేషన్ (21.2 eV) ఉపయోగించబడింది. మా ప్రయోగాలలో శక్తి మరియు కోణీయ రిజల్యూషన్ వరుసగా 30 meV మరియు 0.3° (0.01 Å−1కి అనుగుణంగా) కంటే మెరుగ్గా ఉన్నాయి. అన్ని ప్రయోగాలు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద జరిగాయి. ARPES అనేది చాలా ఉపరితల-సెన్సిటివ్ టెక్నిక్. WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొర రెండింటి నుండి ఫోటోఎలెక్ట్రాన్‌లను బయటకు తీయడానికి, ∼40% అసంపూర్ణమైన WS2 కవరేజీతో నమూనాలు ఉపయోగించబడ్డాయి.

tr-ARPES సెటప్ 1-kHz టైటానియం:సఫైర్ యాంప్లిఫైయర్ (కోహెరెంట్ లెజెండ్ ఎలైట్ డ్యూయో)పై ఆధారపడింది. ఆర్గాన్‌లో అధిక హార్మోనిక్స్ ఉత్పత్తికి 2 mJ అవుట్‌పుట్ పవర్ ఉపయోగించబడింది. ఫలితంగా వచ్చే అతినీలలోహిత కాంతి 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద 100-fs ప్రోబ్ పల్స్‌ను ఉత్పత్తి చేసే గ్రేటింగ్ మోనోక్రోమాటర్ గుండా వెళుతుంది. 8mJ యాంప్లిఫైయర్ అవుట్‌పుట్ పవర్ ఆప్టికల్ పారామెట్రిక్ యాంప్లిఫైయర్‌లోకి పంపబడింది (లైట్ కన్వర్షన్ నుండి HE-TOPAS). 1-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద సిగ్నల్ బీమ్ 2-eV పంప్ పప్పులను పొందేందుకు బీటా బేరియం బోరేట్ క్రిస్టల్‌లో ఫ్రీక్వెన్సీ-రెట్టింపు చేయబడింది. tr-ARPES కొలతలు అర్ధగోళ ఎనలైజర్ (SPECS PHOIBOS 100)తో నిర్వహించబడ్డాయి. మొత్తం శక్తి మరియు తాత్కాలిక రిజల్యూషన్ వరుసగా 240 meV మరియు 200 fs.

ఈ కథనం కోసం అనుబంధ మెటీరియల్ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1లో అందుబాటులో ఉంది

ఇది క్రియేటివ్ కామన్స్ అట్రిబ్యూషన్-నాన్ కమర్షియల్ లైసెన్స్ నిబంధనల ప్రకారం పంపిణీ చేయబడిన ఓపెన్-యాక్సెస్ కథనం, ఇది ఏ మాధ్యమంలోనైనా ఉపయోగం, పంపిణీ మరియు పునరుత్పత్తిని అనుమతిస్తుంది, ఫలితంగా ఉపయోగం వాణిజ్య ప్రయోజనం కోసం కాదు మరియు అసలు పని సరిగ్గా ఉంటే ఉదహరించారు.

గమనిక: మేము మీ ఇమెయిల్ చిరునామాను మాత్రమే అభ్యర్థిస్తాము, తద్వారా మీరు పేజీని సిఫార్సు చేస్తున్న వ్యక్తి మీరు దానిని చూడాలనుకుంటున్నారని మరియు అది జంక్ మెయిల్ కాదని తెలుసుకుంటారు. మేము ఏ ఇమెయిల్ చిరునామాను క్యాప్చర్ చేయము.

ఈ ప్రశ్న మీరు మానవ సందర్శకులా కాదా అని పరీక్షించడానికి మరియు స్వయంచాలక స్పామ్ సమర్పణలను నిరోధించడానికి.

స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్‌ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్

మేము WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనను బహిర్గతం చేస్తాము, బహుశా గ్రాఫేన్‌లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్‌ను ప్రారంభించవచ్చు.

స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్‌ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్

మేము WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనను బహిర్గతం చేస్తాము, బహుశా గ్రాఫేన్‌లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్‌ను ప్రారంభించవచ్చు.

© 2020 అమెరికన్ అసోసియేషన్ ఫర్ ది అడ్వాన్స్‌మెంట్ ఆఫ్ సైన్స్. అన్ని హక్కులు ప్రత్యేకించబడ్డాయి. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef మరియు COUNTERకి భాగస్వామి. సైన్స్ అడ్వాన్సెస్ ISSN 2375-2548.