Ons gebruik tyd- en hoek-opgeloste foto-emissiespektroskopie (tr-ARPES) om ultrasnelle ladingoordrag in 'n epitaksiale heterostruktuur gemaak van monolaag WS2 en grafeen te ondersoek. Hierdie heterostruktuur kombineer die voordele van 'n direkte-gaping halfgeleier met sterk spin-baan koppeling en sterk lig-materie interaksie met dié van 'n semimetaal wat massalose draers met uiters hoë mobiliteit en lang spin leeftyd huisves. Ons vind dat, na foto-opwekking by resonansie aan die A-opwekking in WS2, die foto-opgewekte gate vinnig na die grafeenlaag oordra terwyl die foto-opgewekte elektrone in die WS2-laag bly. Die gevolglike lading-geskeide oorgangstoestand het 'n leeftyd van ~1 ps. Ons skryf ons bevindinge toe aan verskille in verstrooiingsfaseruimte wat veroorsaak word deur die relatiewe belyning van WS2- en grafeenbande soos getoon deur hoë-resolusie ARPES. In kombinasie met spin-selektiewe optiese opwekking, kan die ondersoekte WS2/grafeen heterostruktuur 'n platform bied vir doeltreffende optiese spin-inspuiting in grafeen.
Die beskikbaarheid van baie verskillende tweedimensionele materiale het die moontlikheid oopgemaak om nuwe, uiteindelik dun heterostrukture met heeltemal nuwe funksionaliteite te skep, gebaseer op pasgemaakte diëlektriese sifting en verskeie nabyheidsgeïnduseerde effekte (1-3). Beginselbewystoestelle vir toekomstige toepassings op die gebied van elektronika en opto-elektronika is gerealiseer (4-6).
Hier fokus ons op epitaksiale van der Waals-heterostrukture wat bestaan uit monolaag WS2, 'n direkte-gaping halfgeleier met sterk spin-baan koppeling en 'n aansienlike spin splitsing van die bandstruktuur as gevolg van gebroke inversiesimmetrie (7), en monolaag grafeen, 'n semimetaal met koniese bandstruktuur en uiters hoë draermobiliteit (8), gekweek op waterstof-getermineerde SiC(0001). Eerste aanduidings vir ultrasnelle ladingoordrag (9-15) en nabyheidsgeïnduseerde spin-baan koppelingseffekte (16-18) maak WS2/grafeen en soortgelyke heterostrukture belowende kandidate vir toekomstige opto-elektroniese (19) en optospintroniese (20) toepassings.
Ons het ons ten doel gestel om die ontspanningspaaie van fotogegenereerde elektron-gat pare in WS2/grafeen te onthul met tyd- en hoek-opgeloste foto-emissie spektroskopie (tr-ARPES). Vir daardie doel, prikkel ons die heterostruktuur met 2-eV pomppulse wat resonant is met die A-eksiton in WS2 (21, 12) en werp foto-elektrone uit met 'n tweede tyd-vertraagde sondepuls teen 26-eV foton energie. Ons bepaal die kinetiese energie en emissiehoek van die foto-elektrone met 'n hemisferiese ontleder as 'n funksie van pomp-sonde vertraging om toegang te kry tot die momentum-, energie- en tyd-opgeloste draer dinamika. Die energie- en tydresolusie is onderskeidelik 240 meV en 200 fs.
Ons resultate verskaf direkte bewyse vir ultrasnelle ladingoordrag tussen die epitaksiaal gerigte lae, wat eerste aanduidings bevestig gebaseer op volledig optiese tegnieke in soortgelyke handmatig saamgestelde heterostrukture met arbitrêre asimutale belyning van die lae (9-15). Daarbenewens toon ons dat hierdie ladingoordrag hoogs asimmetries is. Ons metings toon 'n voorheen onwaargenome lading-geskeide oorgangstoestand met foto-opgewekte elektrone en gate geleë in die WS2- en grafeenlaag, onderskeidelik, wat vir ~1 ps leef. Ons interpreteer ons bevindinge in terme van verskille in verstrooiingsfaseruimte vir elektron- en gatoordrag wat veroorsaak word deur die relatiewe belyning van WS2- en grafeenbande soos geopenbaar deur hoë-resolusie ARPES. Gekombineer met spin- en vallei-selektiewe optiese opwekking (22-25) kan WS2/grafeen heterostrukture 'n nuwe platform bied vir doeltreffende ultrasnelle optiese spin-inspuiting in grafeen.
Figuur 1A toon 'n hoë-resolusie ARPES-meting verkry met 'n heliumlamp van die bandstruktuur langs die ΓK-rigting van die epitaksiale WS2/grafeen-heterostruktuur. Daar word gevind dat die Dirac-keël gatgedoteer is met die Dirac-punt geleë ~0.3 eV bo die ewewigschemiese potensiaal. Die bokant van die spin-gesplete WS2-valensband is ~1.2 eV onder die ewewigschemiese potensiaal.
(A) Ewewigsfotostroom gemeet langs die ΓK-rigting met 'n ongepolariseerde heliumlamp. (B) Fotostroom vir negatiewe pomp-sonde-vertraging gemeet met p-gepolariseerde ekstreme ultravioletpulse teen 26-eV fotonenergie. Gestreepte grys en rooi lyne dui die posisie van die lynprofiele aan wat gebruik is om die oorgangspiekposisies in Fig. 2 te onttrek. (C) Pomp-geïnduseerde veranderinge van die fotostroom 200 fs na foto-opwekking teen 'n pompfotonenergie van 2 eV met 'n pompfluens van 2 mJ/cm2. Wins en verlies van foto-elektrone word onderskeidelik in rooi en blou getoon. Die blokkies dui die integrasiegebied vir die pomp-sonde-spore aan wat in Fig. 3 vertoon word.
Figuur 1B toon 'n tr-ARPES-kiekie van die bandstruktuur naby die WS2- en grafeen K-punte gemeet met 100-fs ekstreme ultravioletpulse teen 26-eV fotonenergie teen negatiewe pomp-probe-vertraging voor die aankoms van die pomppuls. Hier word die spinsplitsing nie opgelos nie as gevolg van monsterdegradasie en die teenwoordigheid van die 2-eV pomppuls wat ruimteladingverbreding van die spektrale kenmerke veroorsaak. Figuur 1C toon die pomp-geïnduseerde veranderinge van die fotostroom met betrekking tot Fig. 1B teen 'n pomp-probe-vertraging van 200 fs waar die pomp-probe-sein sy maksimum bereik. Rooi en blou kleure dui onderskeidelik wins en verlies van foto-elektrone aan.
Om hierdie ryk dinamika in meer besonderhede te analiseer, bepaal ons eers die oorgangspiekposisies van die WS2-valensband en die grafeen π-band langs die stippellyne in Fig. 1B soos in detail verduidelik in die Aanvullende Materiaal. Ons vind dat die WS2-valensband met 90 meV opskuif (Fig. 2A) en die grafeen π-band met 50 meV afskuif (Fig. 2B). Die eksponensiële leeftyd van hierdie verskuiwings word gevind as 1.2 ± 0.1 ps vir die valensband van WS2 en 1.7 ± 0.3 ps vir die grafeen π-band. Hierdie piekverskuiwings verskaf eerste bewyse van 'n oorgangslading van die twee lae, waar bykomende positiewe (negatiewe) lading die bindingsenergie van die elektroniese toestande verhoog (verlaag). Let daarop dat die opskuif van die WS2-valensband verantwoordelik is vir die prominente pomp-sonde sein in die area wat deur die swart blokkie in Fig. 1C gemerk word.
Verandering in piekposisie van die WS2-valensband (A) en grafeen π-band (B) as 'n funksie van pomp-sonde-vertraging tesame met eksponensiële passings (dik lyne). Die leeftyd van die WS2-verskuiwing in (A) is 1.2 ± 0.1 ps. Die leeftyd van die grafeenverskuiwing in (B) is 1.7 ± 0.3 ps.
Vervolgens integreer ons die pomp-sonde sein oor die areas wat deur die gekleurde blokkies in Fig. 1C aangedui word en stip ons die resulterende tellings as 'n funksie van die pomp-sonde vertraging in Fig. 3 uit. Kurwe 1 in Fig. 3 toon die dinamika van die foto-opgewekte draers naby die onderkant van die geleidingsband van die WS2-laag met 'n leeftyd van 1.1 ± 0.1 ps verkry vanaf 'n eksponensiële passing by die data (sien die Aanvullende Materiaal).
Pomp-sonde-spore as 'n funksie van vertraging verkry deur die fotostroom te integreer oor die area aangedui deur die blokkies in Fig. 1C. Die dik lyne is eksponensiële passings by die data. Kurwe (1) Oorgangsdraerpopulasie in die geleidingsband van WS2. Kurwe (2) Pomp-sonde-sein van die π-band van grafeen bo die ewewigschemiese potensiaal. Kurwe (3) Pomp-sonde-sein van die π-band van grafeen onder die ewewigschemiese potensiaal. Kurwe (4) Netto pomp-sonde-sein in die valensband van WS2. Die leeftyd word gevind as 1.2 ± 0.1 ps in (1), 180 ± 20 fs (wins) en ∼2 ps (verlies) in (2), en 1.8 ± 0.2 ps in (3).
In kurwes 2 en 3 van Fig. 3 toon ons die pomp-sonde sein van die grafeen π-band. Ons vind dat die wins van elektrone bo die ewewigs chemiese potensiaal (kurwe 2 in Fig. 3) 'n baie korter leeftyd het (180 ± 20 fs) in vergelyking met die verlies van elektrone onder die ewewigs chemiese potensiaal (1.8 ± 0.2 ps in kurwe 3 Fig. 3). Verder word gevind dat die aanvanklike wins van die fotostroom in kurwe 2 van Fig. 3 in verlies verander by t = 400 fs met 'n leeftyd van ~2 ps. Die asimmetrie tussen wins en verlies word afwesig gevind in die pomp-sonde sein van onbedekte monolaag grafeen (sien fig. S5 in die Aanvullende Materiaal), wat aandui dat die asimmetrie 'n gevolg is van tussenlaagkoppeling in die WS2/grafeen heterostruktuur. Die waarneming van 'n kortstondige wins en langdurige verlies bo en onder die ewewigschemiese potensiaal, onderskeidelik, dui daarop dat elektrone doeltreffend uit die grafeenlaag verwyder word na foto-eksitasie van die heterostruktuur. Gevolglik word die grafeenlaag positief gelaai, wat ooreenstem met die toename in bindingsenergie van die π-band wat in Fig. 2B gevind word. Die afwaartse verskuiwing van die π-band verwyder die hoë-energie stert van die ewewigs-Fermi-Dirac-verspreiding bo die ewewigschemiese potensiaal, wat gedeeltelik die verandering van teken van die pomp-sonde sein in kurwe 2 van Fig. 3 verklaar. Ons sal hieronder wys dat hierdie effek verder versterk word deur die oorgangsverlies van elektrone in die π-band.
Hierdie scenario word ondersteun deur die netto pomp-sonde sein van die WS2 valensband in kurwe 4 van Fig. 3. Hierdie data is verkry deur die tellings te integreer oor die area wat gegee word deur die swart boks in Fig. 1B wat die elektrone wat foto-uitgestraal word vanaf die valensband by alle pomp-sonde vertragings vasvang. Binne die eksperimentele foutbalke vind ons geen aanduiding vir die teenwoordigheid van gate in die valensband van WS2 vir enige pomp-sonde vertraging nie. Dit dui daarop dat, na foto-opwekking, hierdie gate vinnig hervul word op 'n tydskaal korter in vergelyking met ons temporale resolusie.
Om finale bewys te lewer vir ons hipotese van ultrasnelle ladingskeiding in die WS2/grafeen heterostruktuur, bepaal ons die aantal gate wat na die grafeenlaag oorgedra word soos in detail beskryf in die Aanvullende Materiaal. Kortliks, die oorgangselektroniese verspreiding van die π-band is toegerus met 'n Fermi-Dirac-verspreiding. Die aantal gate is toe bereken uit die resulterende waardes vir die oorgangschemiese potensiaal en elektroniese temperatuur. Die resultaat word in Fig. 4 getoon. Ons vind dat 'n totale aantal van ∼5 × 1012 gate/cm2 van WS2 na grafeen oorgedra word met 'n eksponensiële leeftyd van 1.5 ± 0.2 ps.
Verandering van die aantal gate in die π-band as 'n funksie van pomp-sonde vertraging tesame met eksponensiële passing wat 'n leeftyd van 1.5 ± 0.2 ps lewer.
Uit die bevindinge in Fig. 2 tot 4, kom die volgende mikroskopiese prentjie vir die ultrasnelle ladingoordrag in die WS2/grafeen heterostruktuur na vore (Fig. 5). Foto-eksitasie van die WS2/grafeen heterostruktuur teen 2 eV bevolk dominant die A-eksiton in WS2 (Fig. 5A). Bykomende elektroniese eksitasies oor die Dirac-punt in grafeen sowel as tussen WS2 en grafeenbande is energiek moontlik, maar aansienlik minder doeltreffend. Die foto-eksiteerde gate in die valensband van WS2 word hervul deur elektrone wat afkomstig is van die grafeen π-band op 'n tydskaal korter in vergelyking met ons temporale resolusie (Fig. 5A). Die foto-eksiteerde elektrone in die geleidingsband van WS2 het 'n leeftyd van ∼1 ps (Fig. 5B). Dit neem egter ∼2 ps om die gate in die grafeen π-band te hervul (Fig. 5B). Dit dui daarop dat, afgesien van direkte elektronoordrag tussen die WS2-geleidingsband en die grafeen π-band, addisionele ontspanningspaaie – moontlik via defektoestande (26) – oorweeg moet word om die volle dinamika te verstaan.
(A) Foto-opwekking by resonansie aan die WS2. 'n A-eksiton teen 2 eV spuit elektrone in die geleidingsband van WS2 in. Die ooreenstemmende gate in die valensband van WS2 word onmiddellik hervul deur elektrone van die grafeen π-band. (B) Die foto-opgewekte draers in die geleidingsband van WS2 het 'n leeftyd van ~1 ps. Die gate in die grafeen π-band leef vir ~2 ps, wat die belangrikheid van addisionele verstrooiingskanale aandui, aangedui deur stippelpyle. Swart stippellyne in (A) en (B) dui bandverskuiwings en veranderinge in chemiese potensiaal aan. (C) In die oorgangstoestand is die WS2-laag negatief gelaai terwyl die grafeenlaag positief gelaai is. Vir spin-selektiewe opwekking met sirkelvormig gepolariseerde lig word verwag dat die foto-opgewekte elektrone in WS2 en die ooreenstemmende gate in grafeen teenoorgestelde spinpolarisasie sal toon.
In die oorgangstoestand is die foto-opgewekte elektrone in die geleidingsband van WS2 geleë, terwyl die foto-opgewekte gate in die π-band van grafeen geleë is (Fig. 5C). Dit beteken dat die WS2-laag negatief gelaai is en die grafeenlaag positief gelaai is. Dit verklaar die oorgangspiekverskuiwings (Fig. 2), die asimmetrie van die grafeenpomp-sonde-sein (krommes 2 en 3 van Fig. 3), die afwesigheid van gate in die valensband van WS2 (kromme 4 Fig. 3), sowel as die bykomende gate in die grafeen π-band (Fig. 4). Die leeftyd van hierdie lading-geskeide toestand is ~1 ps (kromme 1 Fig. 3).
Soortgelyke lading-geskeide oorgangstoestande is waargeneem in verwante van der Waals-heterostrukture wat bestaan uit twee direkte-gaping halfgeleiers met tipe II-bandbelyning en verspringende bandgaping (27-32). Na foto-eksitasie is gevind dat die elektrone en gate vinnig na die onderkant van die geleidingsband en na die bokant van die valensband beweeg, onderskeidelik, wat in verskillende lae van die heterostruktuur geleë is (27-32).
In die geval van ons WS2/grafeen-heterostruktuur, is die energiek mees gunstige ligging vir beide elektrone en gate op die Fermi-vlak in die metaalgrafeenlaag. Daarom sou mens verwag dat beide elektrone en gate vinnig na die grafeen π-band oordra. Ons metings toon egter duidelik dat gatoordrag (<200 fs) baie meer doeltreffend is as elektronoordrag (∼1 ps). Ons skryf dit toe aan die relatiewe energieke belyning van die WS2- en die grafeenbande soos getoon in Fig. 1A, wat 'n groter aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag bied in vergelyking met elektronoordrag soos onlangs verwag deur (14, 15). In die huidige geval, as 'n WS2-bandgaping van ∼2 eV aanvaar word, is die grafeen Dirac-punt en ewewigschemiese potensiaal onderskeidelik ∼0.5 en ∼0.2 eV bo die middel van die WS2-bandgaping geleë, wat die elektron-gat-simmetrie verbreek. Ons vind dat die aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag ~6 keer groter is as vir elektronoordrag (sien die Aanvullende Materiaal), en daarom word verwag dat gatoordrag vinniger as elektronoordrag sal wees.
'n Volledige mikroskopiese beeld van die waargenome ultrasnelle asimmetriese ladingoordrag moet egter ook die oorvleueling tussen die orbitale wat die A-eksiton-golffunksie in WS2 en die grafeen π-band vorm, onderskeidelik, verskillende elektron-elektron- en elektron-fonon-verstrooiingskanale, insluitend die beperkings wat deur momentum, energie, spin en pseudospinbewaring opgelê word, die invloed van plasma-ossillasies (33), sowel as die rol van 'n moontlike verplasende opwekking van koherente fonon-ossillasies wat die ladingoordrag kan bemiddel (34, 35). Ook kan 'n mens spekuleer of die waargenome ladingoordragtoestand bestaan uit ladingoordrag-eksitone of vrye elektron-gat-pare (sien die Aanvullende Materiaal). Verdere teoretiese ondersoeke wat buite die bestek van die huidige artikel val, is nodig om hierdie kwessies te verduidelik.
Opsommend het ons tr-ARPES gebruik om ultrasnelle tussenlaag-ladingsoordrag in 'n epitaksiale WS2/grafeen-heterostruktuur te bestudeer. Ons het gevind dat, wanneer dit by resonansie met die A-eksiton van WS2 teen 2 eV opgewek word, die foto-opgewekte gate vinnig na die grafeenlaag oorgedra word terwyl die foto-opgewekte elektrone in die WS2-laag bly. Ons het dit toegeskryf aan die feit dat die aantal beskikbare finale toestande vir gatoordrag groter is as vir elektronoordrag. Die leeftyd van die lading-geskeide oorgangstoestand is gevind om ~1 ps te wees. In kombinasie met spin-selektiewe optiese opwekking met behulp van sirkelvormig gepolariseerde lig (22-25), kan die waargenome ultrasnelle ladingoordrag gepaard gaan met spin-oordrag. In hierdie geval kan die ondersoekte WS2/grafeen-heterostruktuur gebruik word vir doeltreffende optiese spin-inspuiting in grafeen, wat lei tot nuwe optospintroniese toestelle.
Die grafeenmonsters is gekweek op kommersiële halfgeleidende 6H-SiC(0001) wafers van SiCrystal GmbH. Die N-gedoteerde wafers was op-as met 'n missnyding onder 0.5°. Die SiC-substraat is met waterstof geëts om skrape te verwyder en gereelde plat terrasse te verkry. Die skoon en atoom plat Si-getermineerde oppervlak is toe gegrafiteer deur die monster vir 8 minute in Ar-atmosfeer by 1300°C te gloei (36). Op hierdie manier het ons 'n enkele koolstoflaag verkry waar elke derde koolstofatoom 'n kovalente binding aan die SiC-substraat gevorm het (37). Hierdie laag is toe via waterstofinterkalasie in volledig sp2-gehibridiseerde kwasi-vrystaande gatgedoteerde grafeen omskep (38). Hierdie monsters word grafeen/H-SiC(0001) genoem. Die hele proses is in 'n kommersiële Black Magic-groeikamer van Aixtron uitgevoer. Die WS2-groei is in 'n standaard warmwandreaktor uitgevoer deur laedruk-chemiese dampafsetting (39, 40) met behulp van WO3- en S-poeiers met 'n massaverhouding van 1:100 as voorlopers. Die WO3- en S-poeiers is onderskeidelik by 900 en 200°C gehou. Die WO3-poeier is naby die substraat geplaas. Argon is as draergas gebruik met 'n vloei van 8 sccm. Die druk in die reaktor is by 0.5 mbar gehou. Die monsters is gekarakteriseer met sekondêre elektronmikroskopie, atoomkragmikroskopie, Raman- en fotoluminesensiespektroskopie, sowel as lae-energie-elektrondiffraksie. Hierdie metings het twee verskillende WS2-enkelkristallyne domeine getoon waar óf die ΓK- óf die ΓK'-rigting in lyn is met die ΓK-rigting van die grafeenlaag. Domeinsylengtes het gewissel tussen 300 en 700 nm, en die totale WS2-dekking is benader tot ~40%, geskik vir die ARPES-analise.
Die statiese ARPES-eksperimente is uitgevoer met 'n hemisferiese ontleder (SPECS PHOIBOS 150) met behulp van 'n ladinggekoppelde toestel-detektorstelsel vir tweedimensionele opsporing van elektronenergie en momentum. Ongepolariseerde, monochromatiese He Iα-straling (21.2 eV) van 'n hoë-vloei He-ontladingsbron (VG Scienta VUV5000) is vir alle foto-emissie-eksperimente gebruik. Die energie en hoekresolusie in ons eksperimente was onderskeidelik beter as 30 meV en 0.3° (wat ooreenstem met 0.01 Å−1). Alle eksperimente is by kamertemperatuur uitgevoer. ARPES is 'n uiters oppervlak-sensitiewe tegniek. Om foto-elektrone uit beide die WS2- en die grafeenlaag uit te werp, is monsters met 'n onvolledige WS2-bedekking van ~40% gebruik.
Die tr-ARPES-opstelling was gebaseer op 'n 1-kHz Titanium:Saffier-versterker (Coherent Legend Elite Duo). 2 mJ uitsetkrag is gebruik vir die opwekking van hoë harmonieke in argon. Die gevolglike ekstreme ultravioletlig het deur 'n roostermonochromator gegaan wat 100-fs-sondepulse teen 26-eV fotonenergie produseer. 8 mJ versterkeruitsetkrag is na 'n optiese parametriese versterker (HE-TOPAS van Light Conversion) gestuur. Die seinbundel teen 1-eV fotonenergie is frekwensieverdubbel in 'n beta-bariumboraatkristal om die 2-eV pomppulse te verkry. Die tr-ARPES-metings is uitgevoer met 'n hemisferiese ontleder (SPECS PHOIBOS 100). Die algehele energie en temporale resolusie was onderskeidelik 240 meV en 200 fs.
Aanvullende materiaal vir hierdie artikel is beskikbaar by http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
Hierdie is 'n ooptoegangartikel wat versprei word onder die bepalings van die Creative Commons Attribution-NonCommercial-lisensie, wat gebruik, verspreiding en reproduksie in enige medium toelaat, solank die gevolglike gebruik nie vir kommersiële voordeel is nie en mits die oorspronklike werk behoorlik aangehaal word.
LET WEL: Ons versoek slegs u e-posadres sodat die persoon aan wie u die bladsy aanbeveel, weet dat u wou hê hulle dit moes sien, en dat dit nie gemorspos is nie. Ons vang geen e-posadres vas nie.
Hierdie vraag is om te toets of jy 'n menslike besoeker is en om outomatiese strooiposvoorleggings te voorkom.
Deur Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Ons onthul ultrasnelle ladingskeiding in 'n WS2/grafeen heterostruktuur wat moontlik optiese spin-inspuiting in grafeen moontlik maak.
Deur Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chávez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Ons onthul ultrasnelle ladingskeiding in 'n WS2/grafeen heterostruktuur wat moontlik optiese spin-inspuiting in grafeen moontlik maak.
© 2020 American Association for the Advancement of Science. Alle regte voorbehou. AAAS is 'n vennoot van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Plasingstyd: 25 Mei 2020