เราใช้สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงแบบแก้ไขเวลาและมุม (tr-ARPES) เพื่อตรวจสอบการถ่ายโอนประจุที่เร็วเป็นพิเศษในโครงสร้างเฮเทอโรแอคทิกเซียลที่ทำจาก WS2 และกราฟีนแบบชั้นเดียว โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างนี้ผสมผสานข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างโดยตรงเข้ากับการมีเพศสัมพันธ์ของวงโคจรการหมุนที่แข็งแกร่งและการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารแสงที่แข็งแกร่ง กับข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์แบบกึ่งโลหะที่โฮสต์ตัวพาไร้มวลที่มีความคล่องตัวสูงมากและมีอายุการใช้งานการหมุนที่ยาวนาน เราพบว่าหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงที่มีการสั่นพ้องของ A-exciton ใน WS2 รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะถ่ายโอนไปยังชั้นกราฟีนอย่างรวดเร็ว ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงยังคงอยู่ในชั้น WS2 พบว่าสถานะชั่วคราวที่แยกประจุออกจากกันจะมีอายุการใช้งาน ∼ 1 ps เราระบุถึงการค้นพบของเราว่ามีความแตกต่างในพื้นที่เฟสการกระเจิงที่เกิดจากการจัดตำแหน่งสัมพัทธ์ของแถบ WS2 และกราฟีนตามที่เปิดเผยโดย ARPES ที่มีความละเอียดสูง เมื่อใช้ร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปิน โครงสร้างเฮเทอโรกราฟีน WS2 / กราฟีนที่ตรวจสอบอาจเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการฉีดสปินออปติคัลที่มีประสิทธิภาพในกราฟีน
ความพร้อมใช้งานของวัสดุสองมิติที่แตกต่างกันจำนวนมากได้เปิดโอกาสให้สร้างโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างที่บางในท้ายที่สุดด้วยฟังก์ชันใหม่ที่สมบูรณ์โดยอาศัยการคัดกรองอิเล็กทริกที่ปรับแต่งและผลกระทบที่เกิดจากความใกล้ชิดต่างๆ (1–3) อุปกรณ์พิสูจน์หลักการสำหรับการใช้งานในอนาคตในด้านอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการยอมรับแล้ว (4–6)
ที่นี่เรามุ่งเน้นไปที่โครงสร้างต่าง ๆ ของ epitaxial van der Waals ซึ่งประกอบด้วย monolayer WS2 ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างโดยตรงที่มีการมีเพศสัมพันธ์แบบวงโคจรที่แข็งแกร่งและการแยกการหมุนขนาดใหญ่ของโครงสร้างวงดนตรีเนื่องจากสมมาตรการผกผันที่หัก (7) และกราฟีนแบบ monolayer ซึ่งเป็นกึ่งโลหะ ด้วยโครงสร้างแถบรูปกรวยและความคล่องตัวของตัวพาที่สูงมาก (8) ปลูกบน SiC (0001) ที่สิ้นสุดด้วยไฮโดรเจน ข้อบ่งชี้แรกสำหรับการถ่ายโอนประจุที่เร็วมาก (9–15) และเอฟเฟกต์การมีเพศสัมพันธ์ของวงโคจรหมุนรอบบริเวณใกล้เคียง (16–18) ทำให้ WS2 / กราฟีนและโครงสร้างเฮเทอโรที่คล้ายกันที่คล้ายกันมีแนวโน้มว่าจะเป็นผู้สมัครสำหรับแอพพลิเคชั่นออปโตอิเล็กทรอนิกส์ (19) และออปโตสปินโทรนิก (20) ในอนาคต
เราตั้งใจที่จะเปิดเผยเส้นทางการผ่อนคลายของคู่อิเล็กตรอนโฮลที่สร้างด้วยแสงใน WS2 / กราฟีนด้วยสเปกโทรสโกปีการแผ่รังสีด้วยเวลาและมุม (tr-ARPES) เพื่อจุดประสงค์นั้น เรากระตุ้นโครงสร้างเฮเทอโรด้วยพัลส์ปั๊ม 2-eV สะท้อนกับ A-exciton ใน WS2 (21, 12) และดีดโฟโตอิเล็กตรอนออกด้วยพัลส์โพรบหน่วงเวลาครั้งที่สองที่พลังงานโฟตอน 26-eV เรากำหนดพลังงานจลน์และมุมการปล่อยของโฟโตอิเล็กตรอนด้วยเครื่องวิเคราะห์ครึ่งทรงกลมเป็นฟังก์ชันของการหน่วงเวลาของโพรบปั๊มเพื่อเข้าถึงโมเมนตัม พลังงาน และไดนามิกของพาหะที่แก้ไขตามเวลา ความละเอียดพลังงานและเวลาคือ 240 meV และ 200 fs ตามลำดับ
ผลลัพธ์ของเราให้หลักฐานโดยตรงสำหรับการถ่ายโอนประจุที่เร็วเป็นพิเศษระหว่างชั้นที่จัดตำแหน่ง epitaxis ยืนยันการบ่งชี้ครั้งแรกโดยใช้เทคนิคออปติคัลทั้งหมดในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างที่ประกอบด้วยตนเองที่คล้ายกันพร้อมการจัดตำแหน่งอะซิมัททัลของชั้นโดยพลการ (9–15) นอกจากนี้ เรายังแสดงให้เห็นว่าการโอนค่าธรรมเนียมนี้ไม่สมมาตรสูง การวัดของเราเปิดเผยสถานะชั่วคราวที่แยกประจุซึ่งไม่ได้สังเกตมาก่อนหน้านี้ด้วยอิเล็กตรอนและรูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงที่อยู่ในชั้น WS2 และกราฟีน ตามลำดับ ซึ่งมีชีวิตอยู่สำหรับ ∼ 1 ps เราตีความการค้นพบของเราในแง่ของความแตกต่างในพื้นที่เฟสการกระเจิงสำหรับอิเล็กตรอนและการถ่ายโอนรูที่เกิดจากการจัดตำแหน่งสัมพัทธ์ของ WS2 และแถบกราฟีนตามที่เปิดเผยโดย ARPES ที่มีความละเอียดสูง เมื่อรวมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปินและหุบเขา (22–25) โครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีนอาจเป็นแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการฉีดสปินออปติคัลที่รวดเร็วเป็นพิเศษอย่างมีประสิทธิภาพในกราฟีน
รูปที่ 1A แสดงการวัด ARPES ความละเอียดสูงที่ได้รับจากหลอดฮีเลียมของโครงสร้างแถบความถี่ตามทิศทาง ΓK ของโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง WS2/กราฟีนแบบ epitaxial พบว่ากรวย Dirac นั้นมีรูเจือโดยมีจุด Dirac อยู่ที่ ∼0.3 eV เหนือศักยภาพทางเคมีที่สมดุล ด้านบนของแถบวาเลนซ์ WS2 ที่แยกแบบหมุนพบว่ามีค่า ∼ 1.2 eV ต่ำกว่าศักยภาพทางเคมีที่สมดุล
(A) โฟโตปัจจุบันสมดุลวัดตามทิศทาง ΓK ด้วยหลอดฮีเลียมแบบไม่มีโพลาไรซ์ (B) โฟโตปัจจุบันสำหรับความล่าช้าของปั๊ม-โพรบเชิงลบที่วัดด้วยพัลส์อัลตราไวโอเลตสุดขีด p-โพลาไรซ์ที่พลังงานโฟตอนที่ 26-eV เส้นประสีเทาและสีแดงทำเครื่องหมายตำแหน่งของโปรไฟล์เส้นที่ใช้ในการแยกตำแหน่งสูงสุดชั่วคราวในรูปที่ 2 (C) การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปั๊มของโฟโตปัจจุบัน 200 fs หลังจากการกระตุ้นด้วยแสงที่พลังงานโฟตอนของปั๊มที่ 2 eV พร้อมความคล่องแคล่วของปั๊ม 2 มิลลิจูล/ซม.2 กำไรและการสูญเสียโฟโตอิเล็กตรอนจะแสดงเป็นสีแดงและสีน้ำเงินตามลำดับ กล่องต่างๆ ระบุพื้นที่รวมสำหรับร่องรอยของหัววัดปั๊มที่แสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 1B แสดงสแน็ปช็อต tr-ARPES ของโครงสร้างแถบความถี่ใกล้กับ WS2 และจุด K ของกราฟีนที่วัดด้วยพัลส์อัลตราไวโอเลตสุดขั้ว 100-fs ที่พลังงานโฟตอน 26-eV ที่ความล่าช้าของปั๊ม-โพรบเชิงลบก่อนที่พัลส์ปั๊มจะมาถึง ในที่นี้ การแยกสปินไม่ได้รับการแก้ไขเนื่องจากการเสื่อมสภาพของตัวอย่างและการมีอยู่ของพัลส์ปั๊ม 2-eV ที่ทำให้ประจุอวกาศขยายกว้างขึ้นของลักษณะทางสเปกตรัม รูปที่ 1C แสดงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปั๊มของโฟโตปัจจุบันเทียบกับรูปที่ 1B ที่ความล่าช้าของโพรบของปั๊มที่ 200 fs โดยที่สัญญาณของโพรบของปั๊มถึงค่าสูงสุด สีแดงและสีน้ำเงินแสดงถึงการได้รับและการสูญเสียโฟโตอิเล็กตรอนตามลำดับ
ในการวิเคราะห์ไดนามิกส์ที่หลากหลายนี้โดยละเอียดมากขึ้น ก่อนอื่นเราจะกำหนดตำแหน่งสูงสุดชั่วคราวของแถบวาเลนซ์ WS2 และแถบกราฟีน π ตามแนวเส้นประในรูปที่ 1B ตามที่อธิบายโดยละเอียดในวัสดุเสริม เราพบว่าแถบวาเลนซ์ WS2 เลื่อนขึ้น 90 meV (รูปที่ 2A) และแถบกราฟีน π เลื่อนลง 50 meV (รูปที่ 2B) อายุการใช้งานแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อยู่ที่ 1.2 ± 0.1 ps สำหรับแถบวาเลนซ์ของ WS2 และ 1.7 ± 0.3 ps สำหรับแถบกราฟีน π การเปลี่ยนแปลงจุดสูงสุดเหล่านี้เป็นหลักฐานแรกของการชาร์จชั่วคราวของสองชั้น โดยที่ประจุบวก (ลบ) เพิ่มเติมจะเพิ่ม (ลด) พลังงานยึดเหนี่ยวของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ โปรดทราบว่าการเลื่อนขึ้นของแถบวาเลนซ์ WS2 มีหน้าที่รับผิดชอบต่อสัญญาณปั๊ม-โพรบที่โดดเด่นในพื้นที่ที่ทำเครื่องหมายด้วยกล่องดำในรูปที่ 1C
การเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งสูงสุดของแถบวาเลนซ์ WS2 (A) และกราฟีน π-แบนด์ (B) เป็นฟังก์ชันของการหน่วงเวลาของโพรบปั๊มพร้อมกับความพอดีแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล (เส้นหนา) อายุการใช้งานของการเปลี่ยน WS2 ใน (A) คือ 1.2 ± 0.1 ps อายุการใช้งานของการเปลี่ยนกราฟีนใน (B) คือ 1.7 ± 0.3 ps
ต่อไป เราจะรวมสัญญาณ pump-probe ไว้เหนือพื้นที่ที่ระบุโดยกล่องสีในรูปที่ 1C และพล็อตผลการนับเป็นฟังก์ชันของการหน่วงเวลาของ pump-probe ในรูปที่ 3 เส้นโค้งที่ 1 ในรูปที่ 3 แสดงไดนามิกของ พาหะที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงใกล้กับด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าของเลเยอร์ WS2 ด้วยอายุการใช้งาน 1.1 ± 0.1 ps ที่ได้รับจากการปรับแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลกับข้อมูล (ดูวัสดุเสริม)
การติดตามของ Pump-probe เป็นฟังก์ชันของการหน่วงเวลาที่ได้รับโดยการรวมโฟโตปัจจุบันไว้เหนือพื้นที่ที่ระบุโดยกล่องในรูปที่ 1C เส้นหนานั้นพอดีกับข้อมูลแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล Curve (1) ประชากรพาหะชั่วคราวในแถบการนำของ WS2 เส้นโค้ง (2) สัญญาณ Pump-probe ของแถบ π ของกราฟีนเหนือศักย์เคมีสมดุล เส้นโค้ง (3) สัญญาณ Pump-probe ของแถบ π ของกราฟีนที่ต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุล เส้นโค้ง (4) สัญญาณ Net pump-probe ในแถบเวเลนซ์ของ WS2 อายุการใช้งานพบว่าอยู่ที่ 1.2 ± 0.1 ps ใน (1), 180 ± 20 fs (ได้รับ) และ ∼ 2 ps (สูญเสีย) ใน (2) และ 1.8 ± 0.2 ps ใน (3)
ในเส้นโค้ง 2 และ 3 ของรูปที่ 3 เราแสดงสัญญาณปั๊ม-โพรบของกราฟีน π-แบนด์ เราพบว่าการได้รับอิเล็กตรอนเหนือศักย์เคมีสมดุล (เส้นโค้ง 2 ในรูปที่ 3) มีอายุการใช้งานสั้นกว่ามาก (180 ± 20 fs) เมื่อเปรียบเทียบกับการสูญเสียอิเล็กตรอนที่ต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุล (1.8 ± 0.2 ps ในเส้นโค้ง 3 รูปที่ 3) นอกจากนี้ อัตราขยายเริ่มต้นของโฟโตกระแสในเส้นโค้ง 2 ของรูปที่ 3 พบว่ากลายเป็นการสูญเสียที่ t = 400 fs โดยมีอายุการใช้งาน ∼ 2 ps พบว่าความไม่สมดุลระหว่างกำไรและขาดทุนหายไปในสัญญาณปั๊ม - โพรบของกราฟีนชั้นเดียวที่ถูกเปิด (ดูรูปที่ S5 ในวัสดุเสริม) ซึ่งบ่งชี้ว่าความไม่สมมาตรเป็นผลมาจากการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างชั้นในโครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีน การสังเกตการเพิ่มขึ้นในช่วงสั้นและการสูญเสียในช่วงอายุยาวด้านบนและด้านล่างศักยภาพทางเคมีที่สมดุล ตามลำดับ บ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนจะถูกกำจัดออกจากชั้นกราฟีนอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสงของโครงสร้างเฮเทอโร เป็นผลให้ชั้นกราฟีนกลายเป็นประจุบวก ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานการจับของแถบ π ที่พบในรูปที่ 2B การเลื่อนลงของแถบ π จะขจัดส่วนหางพลังงานสูงของการกระจายตัวของ Fermi-Dirac ที่สมดุลออกจากเหนือศักย์เคมีที่สมดุล ซึ่งส่วนหนึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณของสัญญาณปั๊ม-โพรบในเส้นโค้ง 2 ของรูปที่ 3 เราจะ แสดงด้านล่างว่าเอฟเฟกต์นี้ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยการสูญเสียอิเล็กตรอนชั่วคราวในแถบ π
ภาพจำลองนี้ได้รับการสนับสนุนโดยสัญญาณ net pump-probe ของแถบเวเลนซ์ WS2 ในเส้นโค้ง 4 ของรูปที่ 3 ข้อมูลเหล่านี้ได้มาจากการรวมการนับเหนือพื้นที่ที่กำหนดโดยกล่องดำในรูปที่ 1B ซึ่งจับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากภาพถ่าย แถบวาเลนซ์ที่ความล่าช้าของปั๊ม-โพรบทั้งหมด ภายในแถบข้อผิดพลาดเชิงทดลอง เราไม่พบสิ่งบ่งชี้ว่ามีรูในแถบเวเลนซ์ของ WS2 สำหรับการหน่วงเวลาของหัววัดปั๊ม สิ่งนี้บ่งชี้ว่าหลังจากการกระตุ้นด้วยแสง หลุมเหล่านี้จะถูกเติมใหม่อย่างรวดเร็วในช่วงเวลาที่สั้นเมื่อเทียบกับความละเอียดทางโลกของเรา
เพื่อให้หลักฐานขั้นสุดท้ายสำหรับสมมติฐานของเราเกี่ยวกับการแยกประจุที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีน เรากำหนดจำนวนรูที่ถ่ายโอนไปยังชั้นกราฟีนตามที่อธิบายไว้ในรายละเอียดในวัสดุเสริม กล่าวโดยสรุป การกระจายทางอิเล็กทรอนิกส์ชั่วคราวของ π-แบนด์นั้นพอดีกับการกระจายแบบ Fermi-Dirac จากนั้นจึงคำนวณจำนวนรูจากค่าผลลัพธ์สำหรับศักย์เคมีชั่วคราวและอุณหภูมิอิเล็กทรอนิกส์ ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4 เราพบว่าจำนวนรวมของ ∼ 5 × 1, 012 รู / cm2 ถูกถ่ายโอนจาก WS2 ไปยังกราฟีนด้วยอายุการใช้งานเอ็กซ์โปเนนเชียลที่ 1.5 ± 0.2 ps
การเปลี่ยนแปลงจำนวนรูในแถบ π ตามฟังก์ชันการหน่วงเวลาของโพรบของปั๊ม-โพรบร่วมกับค่าพอดีเอ็กซ์โปเนนเชียล ซึ่งให้อายุการใช้งาน 1.5 ± 0.2 พิโคเซคอน
จากการค้นพบในรูป ในรูปที่ 2 ถึง 4 ภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ต่อไปนี้สำหรับการถ่ายโอนประจุที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีนจะปรากฏขึ้น (รูปที่ 5) การกระตุ้นด้วยแสงของโครงสร้างเฮเทอโรกราฟีน WS2 / กราฟีนที่ 2 eV เติม A-exciton ใน WS2 ได้อย่างโดดเด่น (รูปที่ 5A) การกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมทั่วจุด Dirac ในกราฟีนตลอดจนระหว่าง WS2 และแถบกราฟีนนั้นสามารถทำได้อย่างมีพลังแต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามาก หลุมที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบวาเลนซ์ของ WS2 นั้นถูกเติมโดยอิเล็กตรอนที่มาจากกราฟีน π-band ในช่วงเวลาสั้น ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับความละเอียดทางโลกของเรา (รูปที่ 5A) อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 มีอายุการใช้งาน ∼ 1 ps (รูปที่ 5B) อย่างไรก็ตาม ต้องใช้ ∼ 2 ps ในการเติมรูในกราฟีน π-band (รูปที่ 5B) สิ่งนี้บ่งชี้ว่านอกเหนือจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรงระหว่างแถบการนำ WS2 และกราฟีน π-band แล้ว เส้นทางการผ่อนคลายเพิ่มเติม - อาจผ่านสถานะข้อบกพร่อง (26) - จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาเพื่อทำความเข้าใจไดนามิกทั้งหมด
( A ) การกระตุ้นด้วยแสงที่มีการสั่นพ้องกับ WS2 A-exciton ที่ 2 eV จะฉีดอิเล็กตรอนเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 รูที่สอดคล้องกันในแถบวาเลนซ์ของ WS2 จะถูกเติมทันทีด้วยอิเล็กตรอนจากแถบกราฟีน π ( B ) พาหะที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 มีอายุการใช้งาน ∼ 1 ps รูในกราฟีน π-band มีชีวิตอยู่สำหรับ ∼ 2 ps ซึ่งบ่งบอกถึงความสำคัญของช่องทางการกระเจิงเพิ่มเติมที่ระบุด้วยลูกศรประ เส้นประสีดำใน (A) และ (B) บ่งบอกถึงการเลื่อนของแถบและการเปลี่ยนแปลงศักยภาพทางเคมี (C) ในสถานะชั่วคราว ชั้น WS2 มีประจุลบในขณะที่ชั้นกราฟีนมีประจุบวก สำหรับการกระตุ้นแบบเลือกสปินด้วยแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม คาดว่าอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงใน WS2 และรูที่เกี่ยวข้องในกราฟีนจะแสดงโพลาไรเซชันแบบหมุนตรงกันข้าม
ในสถานะชั่วคราว อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะอยู่ในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 ในขณะที่รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะอยู่ในแถบ π ของกราฟีน (รูปที่ 5C) ซึ่งหมายความว่าชั้น WS2 มีประจุลบ และชั้นกราฟีนมีประจุบวก สิ่งนี้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงสูงสุดชั่วคราว (รูปที่ 2) ความไม่สมมาตรของสัญญาณโพรบปั๊มกราฟีน (เส้นโค้ง 2 และ 3 ของรูปที่ 3) การไม่มีรูในแถบวาเลนซ์ของ WS2 (เส้นโค้ง 4 รูปที่ 3) เช่นเดียวกับรูเพิ่มเติมในแถบกราฟีน π (รูปที่ 4) อายุการใช้งานของสถานะที่แยกประจุนี้คือ ∼ 1 ps (เส้นโค้ง 1 รูปที่ 3)
สถานะชั่วคราวที่แยกประจุแยกที่คล้ายกันนั้นถูกพบในโครงสร้างเฮเทอโรของ van der Waals ที่เกี่ยวข้องซึ่งทำจากเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างโดยตรงสองตัวที่มีการจัดแนวแบนด์ประเภท II และ bandgap ที่เซ (27–32) หลังจากการกระตุ้นด้วยแสง พบว่าอิเล็กตรอนและรูเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปที่ด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าและไปที่ด้านบนของแถบเวเลนซ์ ตามลำดับ ซึ่งอยู่ในชั้นต่างๆ ของโครงสร้างเฮเทอโร (27–32)
ในกรณีของโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง WS2/กราฟีนของเรา ตำแหน่งที่ดีที่สุดที่มีพลังมากที่สุดสำหรับทั้งอิเล็กตรอนและรูอยู่ที่ระดับเฟอร์มีในชั้นกราฟีนโลหะ ดังนั้น ใครๆ ก็คาดหวังว่าทั้งอิเล็กตรอนและรูจะถ่ายโอนไปยังแถบกราฟีน π อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม การวัดของเราแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการถ่ายโอนหลุม (<200 fs) มีประสิทธิภาพมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน (∼ 1 ps) มาก เราถือว่าสิ่งนี้เกิดจากการจัดตำแหน่งสัมพัทธ์ที่มีพลังของ WS2 และแถบกราฟีนดังที่เปิดเผยในรูปที่ 1A ที่ให้สถานะสุดท้ายที่มีอยู่จำนวนมากขึ้นสำหรับการถ่ายโอนหลุมเมื่อเปรียบเทียบกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนตามที่คาดไว้เมื่อเร็ว ๆ นี้โดย (14, 15) ในกรณีปัจจุบัน สมมติว่า bandgap ∼ 2 eV WS2 จุดกราฟีน Dirac และศักยภาพทางเคมีของสมดุลจะอยู่ที่ ∼ 0.5 และ ∼ 0.2 eV เหนือตรงกลางของ bandgap WS2 ตามลำดับ ทำลายความสมมาตรของรูอิเล็กตรอน เราพบว่าจำนวนสถานะสุดท้ายที่มีอยู่สำหรับการถ่ายโอนรูนั้นมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน 6 เท่า (ดูวัสดุเสริม) ซึ่งเป็นสาเหตุที่คาดว่าการถ่ายโอนหลุมจะเร็วกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน
อย่างไรก็ตาม ภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่สมบูรณ์ของการถ่ายโอนประจุแบบอสมมาตรที่เร็วเป็นพิเศษที่สังเกตได้ควรพิจารณาการทับซ้อนกันระหว่างวงโคจรที่ประกอบเป็นฟังก์ชันคลื่น A-exciton ใน WS2 และกราฟีน π-band ตามลำดับ การกระเจิงของอิเล็กตรอน - อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอน - โฟนอนที่แตกต่างกัน ช่องทางรวมถึงข้อจำกัดที่กำหนดโดยการอนุรักษ์โมเมนตัม พลังงาน การหมุน และ pseudospin อิทธิพลของการแกว่งของพลาสมา (33) รวมถึงบทบาทของความเป็นไปได้ การกระตุ้นแบบแทนที่ของการสั่นของโฟนันที่สอดคล้องกันซึ่งอาจเป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนประจุ (34, 35) นอกจากนี้เราอาจคาดเดาได้ว่าสถานะการถ่ายโอนประจุที่สังเกตนั้นประกอบด้วย excitons การถ่ายโอนประจุหรือคู่อิเล็กตรอนอิสระ (ดูวัสดุเสริม) จำเป็นต้องมีการตรวจสอบทางทฤษฎีเพิ่มเติมซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของรายงานฉบับนี้เพื่อชี้แจงประเด็นเหล่านี้
โดยสรุป เราได้ใช้ tr-ARPES เพื่อศึกษาการถ่ายโอนประจุระหว่างชั้นที่เร็วเป็นพิเศษในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง WS2/กราฟีนแบบ epitaxial เราพบว่าเมื่อตื่นเต้นกับการสั่นพ้องของ A-exciton ของ WS2 ที่ 2 eV หลุมที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะถ่ายโอนไปยังชั้นกราฟีนอย่างรวดเร็ว ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงยังคงอยู่ในชั้น WS2 เราถือว่าสิ่งนี้เกิดจากความจริงที่ว่าจำนวนสถานะสุดท้ายที่มีอยู่สำหรับการถ่ายโอนหลุมนั้นมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน อายุการใช้งานของสถานะชั่วคราวที่แยกประจุออกจากกันพบว่าอยู่ที่ ∼ 1 ps เมื่อใช้ร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปินโดยใช้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลม (22–25) การถ่ายโอนประจุที่เร็วเป็นพิเศษที่สังเกตได้อาจมาพร้อมกับการถ่ายโอนแบบหมุน ในกรณีนี้ โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง WS2 / กราฟีนที่ตรวจสอบอาจถูกนำมาใช้สำหรับการฉีดสปินออปติคอลที่มีประสิทธิภาพลงในกราฟีน ส่งผลให้อุปกรณ์ออปโตสปินโทรนิกแบบใหม่
ตัวอย่างกราฟีนถูกปลูกบนเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ 6H-SiC(0001) เชิงพาณิชย์จาก SiCrystal GmbH เวเฟอร์ที่เจือด้วย N อยู่บนแกนโดยมีการตัดผิดพลาดต่ำกว่า 0.5° สารตั้งต้น SiC ถูกแกะสลักด้วยไฮโดรเจนเพื่อขจัดรอยขีดข่วนและได้พื้นผิวเรียบทั่วไป จากนั้นพื้นผิวที่ปลาย Si ที่สะอาดและเป็นอะตอมแบนจะถูกสร้างกราฟโดยการหลอมตัวอย่างในบรรยากาศ Ar ที่อุณหภูมิ 1300°C เป็นเวลา 8 นาที (36) ด้วยวิธีนี้ เราได้ชั้นคาร์บอนชั้นเดียว โดยทุกๆ อะตอมของคาร์บอนในสามจะสร้างพันธะโควาเลนต์กับสารตั้งต้น SiC (37) จากนั้นชั้นนี้จึงกลายเป็นกราฟีนที่เจือด้วยรูแบบรูอิสระแบบกึ่งไฮบริด sp2 อย่างสมบูรณ์ผ่านการแทรกซึมของไฮโดรเจน (38) ตัวอย่างเหล่านี้เรียกว่ากราฟีน/H-SiC(0001) กระบวนการทั้งหมดดำเนินการในห้องเติบโตมนต์ดำเชิงพาณิชย์จาก Aixtron การเติบโตของ WS2 ดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์แบบผนังร้อนมาตรฐานโดยการสะสมไอสารเคมีความดันต่ำ (39, 40) โดยใช้ผง WO3 และ S ที่มีอัตราส่วนมวล 1:100 เป็นสารตั้งต้น ผง WO3 และ S ถูกเก็บไว้ที่ 900 และ 200°C ตามลำดับ ผง WO3 ถูกวางใกล้กับซับสเตรต อาร์กอนถูกใช้เป็นก๊าซพาหะโดยมีอัตราการไหล 8 sccm ความดันในเครื่องปฏิกรณ์ถูกคงไว้ที่ 0.5 มิลลิบาร์ ตัวอย่างมีลักษณะเฉพาะด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบทุติยภูมิ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม รามัน และสเปกโทรสโกปีโฟโตลูมิเนสเซนซ์ รวมถึงการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ การวัดเหล่านี้เผยให้เห็นโดเมนผลึกเดี่ยว WS2 สองโดเมนที่แตกต่างกัน โดยที่ทิศทาง ΓK- หรือ ΓK' นั้นสอดคล้องกับทิศทาง ΓK ของชั้นกราฟีน ความยาวด้านโดเมนแตกต่างกันไประหว่าง 300 ถึง 700 นาโนเมตร และความครอบคลุม WS2 ทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ ∼ 40% เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ ARPES
การทดลอง ARPES แบบคงที่ดำเนินการด้วยเครื่องวิเคราะห์ครึ่งทรงกลม (SPECS PHOIBOS 150) โดยใช้ระบบอุปกรณ์ตรวจจับประจุคู่สำหรับการตรวจจับพลังงานอิเล็กตรอนและโมเมนตัมแบบสองมิติ การแผ่รังสี He Iα แบบโมโนโครมแบบไม่มีโพลาไรซ์ (21.2 eV) ของแหล่งกำเนิดการปลดปล่อย He ฟลักซ์สูง (VG Scienta VUV5000) ถูกนำมาใช้สำหรับการทดลองการปล่อยแสงทั้งหมด พลังงานและความละเอียดเชิงมุมในการทดลองของเราดีกว่า 30 meV และ 0.3° (ตรงกับ 0.01 Å−1) ตามลำดับ การทดลองทั้งหมดดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง ARPES เป็นเทคนิคที่ไวต่อพื้นผิวอย่างมาก ในการนำโฟโตอิเล็กตรอนออกจากทั้ง WS2 และชั้นกราฟีน จะใช้ตัวอย่างที่มีความครอบคลุม WS2 ที่ไม่สมบูรณ์ที่ ∼ 40%
การตั้งค่า tr-ARPES อิงจากแอมพลิฟายเออร์ Titanium:Sapphire 1 kHz (Coherent Legend Elite Duo) กำลังเอาต์พุต 2 mJ ใช้สำหรับการสร้างฮาร์โมนิกสูงในอาร์กอน แสงอัลตราไวโอเลตสุดขีดที่เกิดขึ้นจะส่องผ่านโมโนโครมาเตอร์แบบตะแกรงซึ่งสร้างพัลส์โพรบ 100-fs ที่พลังงานโฟตอน 26-eV กำลังเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ 8mJ ถูกส่งไปยังแอมพลิฟายเออร์แบบออปติคอลพาราเมตริก (HE-TOPAS จาก Light Conversion) ลำแสงสัญญาณที่พลังงานโฟตอน 1-eV ถูกเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าในคริสตัลเบตาแบเรียมบอเรตเพื่อให้ได้พัลส์ปั๊ม 2-eV การวัด tr-ARPES ดำเนินการด้วยเครื่องวิเคราะห์ครึ่งทรงกลม (SPECS PHOIBOS 100) พลังงานโดยรวมและความละเอียดทางโลกคือ 240 meV และ 200 fs ตามลำดับ
เนื้อหาเสริมสำหรับบทความนี้มีอยู่ที่ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
นี่เป็นบทความแบบเปิดที่เผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของใบอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ก็ได้ ตราบใดที่ผลลัพธ์การใช้งานนั้นไม่แสวงหาผลประโยชน์ทางการค้าและต้องจัดให้มีงานต้นฉบับอย่างเหมาะสม อ้างถึง
หมายเหตุ: เราเพียงขอที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้ผู้ที่คุณแนะนำเพจทราบว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็นและไม่ใช่อีเมลขยะ เราไม่ได้บันทึกที่อยู่อีเมลใด ๆ
คำถามนี้มีไว้เพื่อทดสอบว่าคุณเป็นผู้เยี่ยมชมที่เป็นมนุษย์หรือไม่ และเพื่อป้องกันการส่งสแปมอัตโนมัติ
โดย สเวน แอสชลิมันน์, อันโตนิโอ รอสซี, มาเรียนา ชาเวซ-เซอร์บันเตส, ราซวาน เคราส์, เบนิโต อาร์โนลดี, เบนจามิน สตัดท์มุลเลอร์, มาร์ติน เอสชลิมันน์, สตีเวน ฟอร์ติ, ฟิลิปโป ฟาบบรี, คามิลล่า โคเล็ตติ, อิซาเบลลา เกียร์ซ
เราเปิดเผยการแยกประจุที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีนที่อาจช่วยให้การฉีดสปินแบบออปติคอลเข้าไปในกราฟีน
โดย สเวน แอสชลิมันน์, อันโตนิโอ รอสซี, มาเรียนา ชาเวซ-เซอร์บันเตส, ราซวาน เคราส์, เบนิโต อาร์โนลดี, เบนจามิน สตัดท์มุลเลอร์, มาร์ติน เอสชลิมันน์, สตีเวน ฟอร์ติ, ฟิลิปโป ฟาบบรี, คามิลล่า โคเล็ตติ, อิซาเบลลา เกียร์ซ
เราเปิดเผยการแยกประจุที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโร WS2 / กราฟีนที่อาจช่วยให้การฉีดสปินแบบออปติคอลเข้าไปในกราฟีน
© 2020 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ สงวนลิขสิทธิ์. AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548
เวลาโพสต์: May-25-2020