نستخدم مطيافية الانبعاث الضوئي المُحلَّل زمنيًا وزاويًا (tr-ARPES) لدراسة انتقال الشحنة فائق السرعة في بنية متغايرة متراكبة مكونة من WS2 أحادي الطبقة والجرافين. تجمع هذه البنية المتغايرة بين مزايا أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة، مع اقتران قوي بين المدار المغزلي والتفاعل القوي بين الضوء والمادة، ومزايا شبه المعدن الذي يستضيف ناقلات عديمة الكتلة ذات حركة عالية للغاية وعمر دوران مغزلي طويل. وجدنا أنه بعد الإثارة الضوئية عند رنين الإكسيتون A في WS2، تنتقل الفجوات المثارة ضوئيًا بسرعة إلى طبقة الجرافين، بينما تبقى الإلكترونات المثارة ضوئيًا في طبقة WS2. وُجد أن عمر الحالة العابرة المنفصلة عن الشحنة الناتجة يبلغ حوالي 1 بيكو ثانية. نعزو نتائجنا إلى الاختلافات في فضاء طور التشتت الناتجة عن المحاذاة النسبية لنطاقات WS2 والجرافين، كما كشفت عنها مطيافية ARPES عالية الدقة. بالاقتران مع الإثارة البصرية الانتقائية للدوران، قد توفر البنية غير المتجانسة WS2/الجرافين التي تمت دراستها منصة لحقن الدوران البصري الفعال في الجرافين.
أتاح توافر العديد من المواد ثنائية الأبعاد المختلفة إمكانية ابتكار هياكل غير متجانسة جديدة، رقيقة في نهاية المطاف، ذات وظائف جديدة كليًا، تعتمد على الفرز العازل المُصمم خصيصًا وتأثيرات مُختلفة ناتجة عن القرب (1-3). كما طُوّرت أجهزة لإثبات صحة المبدأ لتطبيقات مستقبلية في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات البصرية (4-6).
نركز هنا على هياكل فان دير فالس غير المتجانسة الفوقية، المكونة من WS2 أحادي الطبقة، وهو شبه موصل مباشر الفجوة يتميز باقتران قوي بين المغزل والمدار، وانقسام مغزلي كبير في بنية النطاق نتيجةً لكسر تناظر الانعكاس (7)، وجرافين أحادي الطبقة، وهو شبه معدن ذي بنية نطاق مخروطية وحركة حاملة عالية للغاية (8)، مزروع على كربيد السيليكون (0001) المنتهي بالهيدروجين. تشير المؤشرات الأولية لنقل الشحنات فائق السرعة (9-15) وتأثيرات اقتران المغزل والمدار المستحثة بالقرب (16-18) إلى أن WS2/الجرافين والهياكل غير المتجانسة المماثلة مرشحة واعدة للتطبيقات البصرية الإلكترونية (19) والبصرية الإلكترونية (20) المستقبلية.
شرعنا في الكشف عن مسارات استرخاء أزواج الإلكترونات والفجوات المولدة ضوئيًا في WS2/الغرافين باستخدام مطيافية الانبعاث الضوئي المُحلَّلة زمنيًا وزاويًا (tr-ARPES). ولهذا الغرض، قمنا بإثارة البنية غير المتجانسة بنبضات مضخة 2 إلكترون فولت رنينية لإكسيتون A في WS2 (21، 12)، وطرد الإلكترونات الضوئية بنبضة مسبار ثانية مُؤخَّرة زمنيًا عند طاقة فوتون 26 إلكترون فولت. حُدِّدت الطاقة الحركية وزاوية الانبعاث للإلكترونات الضوئية باستخدام مُحلِّل نصف كروي كدالة لتأخير المضخة-المسبار للوصول إلى ديناميكيات الناقلات المُحلَّلة زمنيًا، من حيث الزخم والطاقة والزمن. تبلغ دقة الطاقة والزمن 240 مليون إلكترون فولت و200 فيمتو ثانية، على التوالي.
تُقدم نتائجنا دليلاً مباشراً على انتقال فائق السرعة للشحنة بين الطبقات المتراصة فوقياً، مما يؤكد المؤشرات الأولية المستندة إلى تقنيات بصرية كاملة في هياكل غير متجانسة مُجمّعة يدوياً ذات محاذاة سمتية عشوائية للطبقات (9-15). بالإضافة إلى ذلك، نُظهر أن انتقال الشحنة هذا غير متماثل إلى حد كبير. تكشف قياساتنا عن حالة عابرة منفصلة عن الشحنة لم تُلاحظ سابقاً، مع إلكترونات وثقوب مُثارة ضوئياً تقع في طبقة WS2 والجرافين، على التوالي، والتي تعيش لمدة ∼1 بيكو ثانية. نُفسر نتائجنا من حيث الاختلافات في فضاء طور التشتت لانتقال الإلكترونات والثقوب الناتجة عن المحاذاة النسبية لنطاقات WS2 والجرافين كما كشفت عنها تقنية ARPES عالية الدقة. قد تُوفر الهياكل غير المتجانسة WS2/الجرافين، إلى جانب الإثارة البصرية الانتقائية للدوران والوادي (22-25)، منصة جديدة لحقن الدوران البصري فائق السرعة بكفاءة في الجرافين.
يوضح الشكل 1أ قياسًا عالي الدقة لـ ARPES، أُجري باستخدام مصباح هيليوم لبنية النطاق على طول اتجاه ΓK للبنية المتغايرة المتراكبة لـ WS2/الجرافين. وُجد أن مخروط ديراك مُشَوَّبٌ بالثقوب، حيث تقع نقطة ديراك فوق جهد التوازن الكيميائي بمقدار 0.3 إلكترون فولت تقريبًا. كما وُجد أن قمة نطاق التكافؤ لـ WS2 المنقسمة دورانيًا تقع تحت جهد التوازن الكيميائي بمقدار 1.2 إلكترون فولت تقريبًا.
(أ) تيار ضوئي متوازن مُقاس على طول اتجاه ΓK باستخدام مصباح هيليوم غير مستقطب. (ب) تيار ضوئي لتأخير سالب بين المضخة والمسبار، مُقاس بنبضات فوق بنفسجية متطرفة مستقطبة p عند طاقة فوتون ٢٦ إلكترون فولت. تُشير الخطوط الرمادية والحمراء المتقطعة إلى مواقع خطوط الطول المستخدمة لاستخراج مواقع الذروة العابرة في الشكل ٢. (ج) تغيرات التيار الضوئي المُستحثة بالمضخة بعد ٢٠٠ فيمتو ثانية من الإثارة الضوئية عند طاقة فوتون مضخة ٢ إلكترون فولت مع تدفق مضخة ٢ مللي جول/سم². يظهر اكتساب وفقدان الإلكترونات الضوئية باللونين الأحمر والأزرق على التوالي. تُشير المربعات إلى منطقة تكامل آثار المضخة والمسبار المعروضة في الشكل ٣.
يوضح الشكل 1ب صورة tr-ARPES لبنية النطاق بالقرب من نقاط K في WS2 والجرافين، مُقاسة بنبضات فوق بنفسجية شديدة لمدة 100 فيموثانية عند طاقة فوتون 26 إلكترون فولت، مع تأخير سلبي بين المضخة والمسبار قبل وصول نبضة المضخة. هنا، لا يُحل انقسام الدوران بسبب تدهور العينة ووجود نبضة مضخة بقوة 2 إلكترون فولت، مما يُسبب اتساع الشحنة الفراغية للخصائص الطيفية. يوضح الشكل 1ج التغيرات التي تُحدثها المضخة في التيار الضوئي بالنسبة إلى الشكل 1ب عند تأخير بين المضخة والمسبار قدره 200 فيموثانية، حيث تصل إشارة المضخة والمسبار إلى أقصى حد لها. يُشير اللونان الأحمر والأزرق إلى اكتساب وفقد الإلكترونات الضوئية، على التوالي.
لتحليل هذه الديناميكيات الغنية بمزيد من التفصيل، حددنا أولًا مواقع الذروة العابرة لنطاق تكافؤ WS2 ونطاق π للجرافين على طول الخطوط المتقطعة في الشكل 1ب، كما هو موضح بالتفصيل في المواد التكميلية. وجدنا أن نطاق تكافؤ WS2 ينزاح لأعلى بمقدار 90 ميجا فولت (الشكل 2أ)، بينما ينزاح نطاق π للجرافين لأسفل بمقدار 50 ميجا فولت (الشكل 2ب). وُجد أن العمر الأسّي لهذه الانزياحات يبلغ 1.2 ± 0.1 ps لنطاق تكافؤ WS2 و1.7 ± 0.3 ps لنطاق π للجرافين. تُقدم هذه الانزياحات الذروية أول دليل على شحن عابر للطبقتين، حيث تزيد (تنقص) الشحنة الموجبة (السالبة) الإضافية طاقة ربط الحالات الإلكترونية. لاحظ أن رفع نطاق التكافؤ WS2 هو المسؤول عن إشارة المضخة-المسبار البارزة في المنطقة المحددة بالصندوق الأسود في الشكل 1ج.
التغير في موضع ذروة نطاق التكافؤ WS2 (A) ونطاق باي للجرافين (B) كدالة لتأخير المضخة-المسبار، بالإضافة إلى التوافقات الأسية (الخطوط السميكة). يبلغ عمر انزياح WS2 في (A) 1.2 ± 0.1 بيكو ثانية. ويبلغ عمر انزياح الجرافين في (B) 1.7 ± 0.3 بيكو ثانية.
بعد ذلك، نقوم بدمج إشارة المضخة-المسبار على المناطق المشار إليها بالمربعات الملونة في الشكل 1ج ونرسم الأعداد الناتجة كدالة لتأخير المضخة-المسبار في الشكل 3. يوضح المنحنى 1 في الشكل 3 ديناميكيات الناقلات المثارة ضوئيًا بالقرب من أسفل نطاق التوصيل لطبقة WS2 مع عمر افتراضي يبلغ 1.1 ± 0.1 بيكو ثانية تم الحصول عليه من الملاءمة الأسيّة للبيانات (انظر المواد التكميلية).
آثار مضخة المسبار كدالة للتأخير التي تم الحصول عليها عن طريق تكامل التيار الضوئي على المنطقة الموضحة بالمربعات في الشكل 1ج. الخطوط السميكة هي ملاءمة أسية للبيانات. المنحنى (1) تعداد الناقلات العابرة في نطاق التوصيل لـ WS2. المنحنى (2) إشارة مضخة المسبار لنطاق π للجرافين فوق الجهد الكيميائي المتوازن. المنحنى (3) إشارة مضخة المسبار لنطاق π للجرافين أسفل الجهد الكيميائي المتوازن. المنحنى (4) إشارة مضخة المسبار الصافية في نطاق التكافؤ لـ WS2. وُجد أن أعمار التشغيل هي 1.2 ± 0.1 ps في (1)، و180 ± 20 fs (كسب) و∼2 ps (فقد) في (2)، و1.8 ± 0.2 ps في (3).
في المنحنيين 2 و3 من الشكل 3، نُظهر إشارة مضخة-مسبار لنطاق π للجرافين. نجد أن اكتساب الإلكترونات فوق الجهد الكيميائي المتوازن (المنحنى 2 في الشكل 3) له عمر أقصر بكثير (180 ± 20 فمت ثانية) مقارنةً بفقد الإلكترونات تحت الجهد الكيميائي المتوازن (1.8 ± 0.2 بيكو ثانية في المنحنى 3، الشكل 3). علاوة على ذلك، وُجد أن الكسب الابتدائي للتيار الضوئي في المنحنى 2 في الشكل 3 يتحول إلى فقدان عند t = 400 فمت ثانية بعمر افتراضي يبلغ حوالي 2 بيكو ثانية. وُجد أن عدم التماثل بين الكسب والفقد غائب في إشارة مضخة-مسبار للجرافين أحادي الطبقة المكشوف (انظر الشكل S5 في المواد التكميلية)، مما يشير إلى أن عدم التماثل هو نتيجة اقتران الطبقات في البنية غير المتجانسة WS2/الجرافين. تشير ملاحظة اكتساب قصير الأمد وفقدان طويل الأمد أعلى وأسفل الجهد الكيميائي المتوازن، على التوالي، إلى أن الإلكترونات تُزال بكفاءة من طبقة الجرافين عند الإثارة الضوئية للبنية غير المتجانسة. ونتيجةً لذلك، تصبح طبقة الجرافين مشحونة إيجابيًا، وهو ما يتوافق مع زيادة طاقة ربط نطاق π الموضح في الشكل 2ب. يؤدي انخفاض نطاق π إلى إزالة ذيل الطاقة العالي لتوزيع فيرمي-ديراك المتوازن من أعلى الجهد الكيميائي المتوازن، وهو ما يفسر جزئيًا تغير إشارة إشارة المضخة-المسبار في المنحنى 2 في الشكل 3. سنوضح لاحقًا أن هذا التأثير يتعزز أكثر بالفقدان المؤقت للإلكترونات في نطاق π.
يدعم هذا السيناريو إشارة المضخة-المسبار الصافية لنطاق تكافؤ WS2 في المنحنى 4 في الشكل 3. تم الحصول على هذه البيانات بدمج الأعداد على مساحة الصندوق الأسود في الشكل 1ب، والذي يلتقط الإلكترونات المنبعثة ضوئيًا من نطاق التكافؤ عند جميع فترات تأخير المضخة-المسبار. ضمن أشرطة الخطأ التجريبية، لم نجد أي مؤشر على وجود فجوات في نطاق تكافؤ WS2 لأي تأخير بين المضخة والمسبار. يشير هذا إلى أنه بعد الإثارة الضوئية، تُعاد تعبئة هذه الفجوات بسرعة في نطاق زمني أقصر من دقتنا الزمنية.
لتقديم دليل قاطع على فرضيتنا حول فصل الشحنات فائق السرعة في البنية غير المتجانسة WS2/الجرافين، حددنا عدد الثقوب المنقولة إلى طبقة الجرافين كما هو موضح بالتفصيل في المواد التكميلية. باختصار، تم تزويد التوزيع الإلكتروني العابر لنطاق π بتوزيع فيرمي-ديراك. ثم حُسب عدد الثقوب من القيم الناتجة للجهد الكيميائي العابر ودرجة الحرارة الإلكترونية. تظهر النتيجة في الشكل 4. وجدنا أن إجمالي عدد الثقوب المنقولة من WS2 إلى الجرافين يبلغ حوالي 5 × 1012 ثقب/سم²، بعمر أسي يبلغ 1.5 ± 0.2 بيكو ثانية.
يؤدي تغيير عدد الثقوب في النطاق π كدالة لتأخير المضخة والمسبار مع الملاءمة الأسيّة إلى عمر افتراضي يبلغ 1.5 ± 0.2 بيكو ثانية.
من النتائج الموضحة في الأشكال من 2 إلى 4، تظهر الصورة المجهرية التالية لنقل الشحنة فائق السرعة في البنية غير المتجانسة WS2/الجرافين (الشكل 5). تُهيمن الإثارة الضوئية للبنية غير المتجانسة WS2/الجرافين عند 2 إلكترون فولت على الإكسيتون A في WS2 (الشكل 5أ). من الممكن حدوث إثارات إلكترونية إضافية عبر نقطة ديراك في الجرافين، وكذلك بين نطاقي WS2 والجرافين، ولكنها أقل كفاءة بكثير. تُملأ الفجوات المثارة ضوئيًا في نطاق التكافؤ في WS2 بواسطة الإلكترونات الصادرة من نطاق π للجرافين في نطاق زمني قصير مقارنةً بدقة دراستنا (الشكل 5أ). يبلغ عمر الإلكترونات المثارة ضوئيًا في نطاق التوصيل في WS2 حوالي 1 بيكو ثانية (الشكل 5ب). ومع ذلك، يستغرق الأمر حوالي 2 بيكو ثانية لإعادة ملء الثغرات في نطاق باي للجرافين (الشكل 5ب). يشير هذا إلى أنه، بالإضافة إلى النقل المباشر للإلكترونات بين نطاق التوصيل WS2 ونطاق باي للجرافين، يجب مراعاة مسارات استرخاء إضافية - ربما عبر حالات العيب (26) - لفهم الديناميكيات الكاملة.
(أ) الإثارة الضوئية عند الرنين إلى إكسيتون WS2 A عند 2 إلكترون فولت تحقن الإلكترونات في نطاق التوصيل لـ WS2. تتم إعادة ملء الفجوات المقابلة في نطاق التكافؤ لـ WS2 على الفور بواسطة الإلكترونات من نطاق الجرافين π. (ب) تتمتع الناقلات المثارة ضوئيًا في نطاق التوصيل لـ WS2 بعمر افتراضي يبلغ حوالي 1 ps. تعيش الفجوات في نطاق الجرافين π لمدة 2 ps تقريبًا، مما يشير إلى أهمية قنوات التشتت الإضافية المشار إليها بالأسهم المتقطعة. تشير الخطوط المتقطعة السوداء في (أ) و (ب) إلى تحولات النطاق والتغيرات في الجهد الكيميائي. (ج) في الحالة العابرة، تكون طبقة WS2 مشحونة سلبًا بينما تكون طبقة الجرافين مشحونة موجبة. بالنسبة للإثارة الانتقائية للدوران مع الضوء المستقطب دائريًا، من المتوقع أن تُظهر الإلكترونات المثارة ضوئيًا في WS2 والفجوات المقابلة في الجرافين استقطابًا معاكسًا للدوران.
في الحالة العابرة، تتواجد الإلكترونات المثارة ضوئيًا في نطاق التوصيل لـ WS2، بينما تقع الفجوات المثارة ضوئيًا في نطاق π للجرافين (الشكل 5ج). هذا يعني أن طبقة WS2 مشحونة سالبًا وطبقة الجرافين مشحونة موجبة. وهذا يفسر انزياحات الذروة العابرة (الشكل 2)، وعدم تناسق إشارة مضخة-مسبار الجرافين (المنحنيان 2 و3 في الشكل 3)، وغياب الفجوات في نطاق التكافؤ لـ WS2 (المنحنى 4، الشكل 3)، بالإضافة إلى الفجوات الإضافية في نطاق π للجرافين (الشكل 4). يبلغ عمر هذه الحالة المنفصلة عن الشحنة حوالي 1 بيسكول (المنحنى 1، الشكل 3).
رُصدت حالات عابرة مماثلة منفصلة الشحنة في هياكل فان دير فالس متجانسة ذات صلة، مصنوعة من شبه موصلين بفجوة مباشرة، بمحاذاة نطاق من النوع الثاني وفجوة نطاق متداخلة (27-32). بعد الإثارة الضوئية، وُجد أن الإلكترونات والفجوات تتحرك بسرعة إلى أسفل نطاق التوصيل وأعلى نطاق التكافؤ، على التوالي، والموجودتين في طبقات مختلفة من البنية المتجانسة (27-32).
في حالة البنية غير المتجانسة WS2/الجرافين، يكون الموقع الأكثر ملاءمة من حيث الطاقة لكل من الإلكترونات والفجوات عند مستوى فيرمي في طبقة الجرافين المعدنية. لذلك، يتوقع المرء أن تنتقل كل من الإلكترونات والفجوات بسرعة إلى نطاق π للجرافين. ومع ذلك، تُظهر قياساتنا بوضوح أن نقل الفجوات (<200 fs) أكثر كفاءة بكثير من نقل الإلكترونات (∼1 ps). نعزو ذلك إلى المحاذاة النسبية للطاقة بين نطاقي WS2 والجرافين كما هو موضح في الشكل 1A والذي يوفر عددًا أكبر من الحالات النهائية المتاحة لنقل الفجوات مقارنةً بنقل الإلكترونات كما توقع مؤخرًا (14، 15). في الحالة الحالية، وبافتراض فجوة نطاق WS2 تبلغ ∼2 إلكترون فولت، تقع نقطة ديراك للجرافين والجهد الكيميائي المتوازن على بعد ∼0.5 و∼0.2 إلكترون فولت فوق منتصف فجوة نطاق WS2، على التوالي، مما يؤدي إلى كسر تماثل الإلكترون والفجوة. وجدنا أن عدد الحالات النهائية المتاحة لنقل الثقب أكبر بنحو 6 مرات من نقل الإلكترون (انظر المواد التكميلية)، ولهذا السبب من المتوقع أن يكون نقل الثقب أسرع من نقل الإلكترون.
ومع ذلك، ينبغي أن تأخذ الصورة المجهرية الكاملة لنقل الشحنة غير المتماثل فائق السرعة المرصود في الاعتبار أيضًا التداخل بين المدارات التي تُشكل دالة موجة الإكسيتون-A في WS2 ونطاق π للجرافين، على التوالي، وقنوات تشتت الإلكترون-الإلكترون والإلكترون-الفونون المختلفة، بما في ذلك القيود التي يفرضها الزخم، والطاقة، والدوران، وحفظ شبه الدوران، وتأثير تذبذبات البلازما (33)، بالإضافة إلى دور الإثارة الإزاحية المحتملة لتذبذبات الفونون المتماسكة التي قد تُؤثر على نقل الشحنة (34، 35). كما يُمكن التكهن بما إذا كانت حالة نقل الشحنة المرصودة تتكون من إكسيتونات نقل الشحنة أو أزواج إلكترون-فجوة حرة (انظر المواد التكميلية). يتطلب الأمر إجراء المزيد من الدراسات النظرية التي تتجاوز نطاق هذه الورقة لتوضيح هذه المسائل.
باختصار، استخدمنا تقنية tr-ARPES لدراسة انتقال الشحنة فائق السرعة بين الطبقات في بنية متغايرة من WS2/الجرافين. وجدنا أنه عند إثارتها عند الرنين مع إكسيتون A لـ WS2 عند 2 إلكترون فولت، تنتقل الفجوات المثارة ضوئيًا بسرعة إلى طبقة الجرافين، بينما تبقى الإلكترونات المثارة ضوئيًا في طبقة WS2. وقد عزينا ذلك إلى أن عدد الحالات النهائية المتاحة لانتقال الفجوات أكبر من عدد حالات انتقال الإلكترونات. وقد وُجد أن عمر الحالة العابرة المنفصلة عن الشحنة يبلغ حوالي 1 بيكو ثانية. وبالاقتران مع الإثارة البصرية الانتقائية للدوران باستخدام ضوء مستقطب دائريًا (22-25)، قد يكون انتقال الشحنة فائق السرعة المرصود مصحوبًا بانتقال للدوران. في هذه الحالة، يمكن استخدام البنية المتغايرة من WS2/الجرافين المدروسة لحقن الدوران الضوئي بكفاءة في الجرافين، مما ينتج عنه أجهزة بصرية سبينية جديدة.
تم تنمية عينات الجرافين على رقائق 6H-SiC(0001) شبه موصلة تجارية من SiCrystal GmbH. كانت الرقائق المشوبة بالنيتروجين على المحور مع وجود قطع خاطئ أقل من 0.5 درجة. تم حفر ركيزة SiC بالهيدروجين لإزالة الخدوش والحصول على تراسات مسطحة منتظمة. ثم تم جرافيت السطح النظيف والمسطح ذريًا والمنتهي بالسيليكون عن طريق تلدين العينة في جو من الأرجون عند 1300 درجة مئوية لمدة 8 دقائق (36). وبهذه الطريقة، حصلنا على طبقة كربون واحدة حيث شكلت كل ذرة كربون ثالثة رابطة تساهمية مع ركيزة SiC (37). تم بعد ذلك تحويل هذه الطبقة إلى جرافين مهجن بالكامل sp2 شبه مستقل مشوب بالثقوب عن طريق التداخل الهيدروجيني (38). يشار إلى هذه العينات باسم الجرافين/H-SiC(0001). أجريت العملية بأكملها في غرفة نمو Black Magic التجارية من Aixtron. تم إجراء نمو WS2 في مفاعل جدار ساخن قياسي عن طريق ترسيب بخار كيميائي منخفض الضغط (39، 40) باستخدام مساحيق WO3 وS بنسبة كتلة 1:100 كمواد أولية. تم حفظ مساحيق WO3 وS عند 900 و200 درجة مئوية على التوالي. تم وضع مسحوق WO3 بالقرب من الركيزة. تم استخدام الأرجون كغاز حامل بتدفق 8 سم مكعب في الدقيقة. تم الحفاظ على الضغط في المفاعل عند 0.5 ملي بار. تم تمييز العينات باستخدام المجهر الإلكتروني الثانوي، ومجهر القوة الذرية، ورامان، والتحليل الطيفي الضوئي، بالإضافة إلى حيود الإلكترون منخفض الطاقة. كشفت هذه القياسات عن نطاقين مختلفين أحاديي البلورة لـ WS2 حيث يتم محاذاة اتجاه ΓK- أو ΓK'- مع اتجاه ΓK لطبقة الجرافين. تراوحت أطوال أضلاع المجال بين 300 و700 نانومتر، وتم تقريب التغطية الإجمالية لـ WS2 إلى حوالي 40%، وهو مناسب لتحليل ARPES.
أُجريت تجارب ARPES الثابتة باستخدام محلل نصف كروي (SPECS PHOIBOS 150) باستخدام نظام كاشف جهاز مقترن بالشحنة للكشف ثنائي الأبعاد عن طاقة وزخم الإلكترونات. استُخدم إشعاع He Iα أحادي اللون غير مستقطب (21.2 إلكترون فولت) من مصدر تفريغ He عالي التدفق (VG Scienta VUV5000) في جميع تجارب الانبعاث الضوئي. كانت الطاقة والدقة الزاوية في تجاربنا أفضل من 30 مليون إلكترون فولت و0.3 درجة مئوية (ما يعادل 0.01 أنجستروم) على التوالي. أُجريت جميع التجارب في درجة حرارة الغرفة. تُعد تقنية ARPES تقنية حساسة للغاية للأسطح. ولإخراج الإلكترونات الضوئية من كلٍّ من طبقة WS2 وطبقة الجرافين، استُخدمت عينات ذات تغطية WS2 غير مكتملة بنسبة 40% تقريبًا.
استند إعداد tr-ARPES إلى مُضخِّم من التيتانيوم والياقوت بتردد 1 كيلوهرتز (Coherent Legend Elite Duo). استُخدمت طاقة خرج قدرها 2 مللي جول لتوليد التوافقيات العالية في الأرجون. مر الضوء فوق البنفسجي الشديد الناتج عبر مُحَوِّر أحادي اللون شبكي، مُنتجًا نبضات مسبار مدتها 100 فيمتو ثانية بطاقة فوتون 26 إلكترون فولت. أُرسِلت طاقة خرج المُضخِّم البالغة 8 مللي جول إلى مُضخِّم بصري بارامتري (HE-TOPAS من Light Conversion). تضاعف تردد شعاع الإشارة عند طاقة فوتون 1 إلكترون فولت في بلورة بورات بيتا باريوم للحصول على نبضات مضخة 2 إلكترون فولت. أُجريت قياسات tr-ARPES باستخدام مُحلل نصف كروي (SPECS PHOIBOS 100). بلغت الطاقة الكلية والدقة الزمنية 240 ميلي فولت و200 فيمتو ثانية، على التوالي.
المواد التكميلية لهذه المقالة متاحة على http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1
هذه المقالة مفتوحة المصدر ويتم توزيعها بموجب شروط رخصة المشاع الإبداعي المنسوبة لغير التجاري، والتي تسمح بالاستخدام والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة، طالما أن الاستخدام الناتج ليس لتحقيق ميزة تجارية وبشرط الاستشهاد بالعمل الأصلي بشكل صحيح.
ملاحظة: نطلب عنوان بريدك الإلكتروني فقط ليعلم الشخص الذي تُوصيه بالصفحة أنك أردته أن يراها، وأن هذه ليست رسالة غير مرغوب فيها. لا نجمع أي عناوين بريد إلكتروني.
هذا السؤال لاختبار ما إذا كنت زائرًا بشريًا أم لا ولمنع عمليات إرسال البريد العشوائي الآلية.
بقلم سفين أيشليمان، أنطونيو روسي، ماريانا شافيز سرفانتس، رازفان كراوس، بينيتو أرنولدي، بنيامين ستادمولر، مارتن أيشليمان، ستيفن فورتي، فيليبو فابري، كاميلا كوليتي، إيزابيلا جيرز
لقد كشفنا عن فصل الشحنات فائق السرعة في بنية غير متجانسة من WS2/الجرافين مما قد يسمح بحقن الدوران البصري في الجرافين.
بقلم سفين أيشليمان، أنطونيو روسي، ماريانا شافيز سرفانتس، رازفان كراوس، بينيتو أرنولدي، بنيامين ستادمولر، مارتن أيشليمان، ستيفن فورتي، فيليبو فابري، كاميلا كوليتي، إيزابيلا جيرز
لقد كشفنا عن فصل الشحنات فائق السرعة في بنية غير متجانسة من WS2/الجرافين مما قد يسمح بحقن الدوران البصري في الجرافين.
© 2020 الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم. جميع الحقوق محفوظة. AAAS هي شريك لـ HINARI، وAGORA، وOARE، وCHORUS، وCLOCKSS، وCrossRef، وCOUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
وقت النشر: ٢٥ مايو ٢٠٢٠