મોનોલેયર WS2 અને ગ્રાફીનથી બનેલા એપિટેક્સિયલ હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફરની તપાસ કરવા માટે અમે સમય- અને કોણ-નિરાકરણ ફોટોએમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (tr-ARPES) નો ઉપયોગ કરીએ છીએ. આ હેટરોસ્ટ્રક્ચર મજબૂત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લિંગ અને મજબૂત પ્રકાશ-દ્રવ્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સાથે ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટરના ફાયદાઓને જોડે છે જે સેમીમેટલ હોસ્ટિંગ માસલેસ કેરિયર્સ સાથે અત્યંત ઉચ્ચ ગતિશીલતા અને લાંબા સ્પિન લાઇફટાઇમ સાથે છે. અમને જાણવા મળ્યું છે કે, WS2 માં A-એક્સિટોનના રેઝોનન્સ પર ફોટોએક્સિટેશન પછી, ફોટોએક્સિટેડ છિદ્રો ઝડપથી ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જ્યારે ફોટોએક્સિટેડ ઇલેક્ટ્રોન WS2 સ્તરમાં રહે છે. પરિણામી ચાર્જ-વિભાજિત ક્ષણિક સ્થિતિનું જીવનકાળ ~1 ps હોવાનું જાણવા મળ્યું છે. અમે અમારા તારણોને ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ARPES દ્વારા જાહેર કરાયેલ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડના સંબંધિત ગોઠવણીને કારણે સ્કેટરિંગ ફેઝ સ્પેસમાં તફાવતોને આભારી છીએ. સ્પિન-સિલેક્ટિવ ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના સાથે સંયોજનમાં, તપાસાયેલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચર ગ્રાફીનમાં કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શન માટે પ્લેટફોર્મ પૂરું પાડી શકે છે.
ઘણી બધી વિવિધ દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રીની ઉપલબ્ધતાએ અનુરૂપ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્ક્રીનીંગ અને વિવિધ નિકટતા-પ્રેરિત અસરો (1–3) પર આધારિત સંપૂર્ણપણે નવી કાર્યક્ષમતાઓ સાથે નવા, આખરે પાતળા હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવવાની શક્યતા ખોલી છે. ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં ભવિષ્યના એપ્લિકેશનો માટે સિદ્ધાંતના પુરાવા ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે (4–6).
અહીં, અમે એપિટેક્સિયલ વાન ડેર વાલ્સ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીએ છીએ જેમાં મોનોલેયર WS2, મજબૂત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લીંગ સાથે ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટર અને તૂટેલા વ્યુત્ક્રમ સમપ્રમાણતાને કારણે બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરનું મોટું સ્પિન સ્પ્લિટિંગ (7), અને મોનોલેયર ગ્રાફીન, શંકુ બેન્ડ સ્ટ્રક્ચર અને અત્યંત ઉચ્ચ વાહક ગતિશીલતા (8) સાથે સેમીમેટલ, હાઇડ્રોજન-ટર્મિનેટેડ SiC(0001) પર ઉગાડવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર (9-15) અને પ્રોક્સિમિટી-પ્રેરિત સ્પિન-ઓર્બિટ કપ્લીંગ ઇફેક્ટ્સ (16-18) માટેના પ્રથમ સંકેતો WS2/ગ્રાફીન અને સમાન હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સને ભવિષ્યના ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક (19) અને ઓપ્ટોસ્પિન્ટ્રોનિક (20) એપ્લિકેશનો માટે આશાસ્પદ ઉમેદવારો બનાવે છે.
અમે સમય- અને કોણ-ઉકેલાયેલ ફોટોઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (tr-ARPES) સાથે WS2/ગ્રાફીનમાં ફોટોજનરેટેડ ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓના રિલેક્સેશન માર્ગો જાહેર કરવા માટે નીકળ્યા. તે હેતુ માટે, અમે WS2 (21, 12) માં A-એક્સીટોનને રેઝોનન્ટ કરતા 2-eV પંપ પલ્સ સાથે હેટરોસ્ટ્રક્ચરને ઉત્તેજિત કરીએ છીએ અને 26-eV ફોટોન ઊર્જા પર બીજા સમય-વિલંબિત પ્રોબ પલ્સ સાથે ફોટોઇલેક્ટ્રોન બહાર કાઢીએ છીએ. અમે પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે ગોળાર્ધ વિશ્લેષક સાથે ફોટોઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા અને ઉત્સર્જન કોણ નક્કી કરીએ છીએ જેથી ગતિ-, ઊર્જા- અને સમય-ઉકેલાયેલ વાહક ગતિશીલતા સુધી પહોંચી શકાય. ઊર્જા અને સમય રિઝોલ્યુશન અનુક્રમે 240 meV અને 200 fs છે.
અમારા પરિણામો એપિટેક્ષિકલી સંરેખિત સ્તરો વચ્ચે અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર માટે સીધા પુરાવા પૂરા પાડે છે, જે સ્તરોના મનસ્વી અઝીમુથલ સંરેખણ સાથે સમાન મેન્યુઅલી એસેમ્બલ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સમાં ઓલ-ઓપ્ટિકલ તકનીકો પર આધારિત પ્રથમ સંકેતોની પુષ્ટિ કરે છે (9-15). વધુમાં, અમે બતાવીએ છીએ કે આ ચાર્જ ટ્રાન્સફર ખૂબ જ અસમપ્રમાણ છે. અમારા માપનો ફોટોએક્સાઇટેડ ઇલેક્ટ્રોન અને અનુક્રમે WS2 અને ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થિત છિદ્રો સાથે અગાઉ અવલોકન ન કરાયેલ ચાર્જ-વિભાજિત ક્ષણિક સ્થિતિ દર્શાવે છે, જે ~1 ps માટે રહે છે. અમે ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ARPES દ્વારા જાહેર કરાયેલ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડના સંબંધિત સંરેખણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર ટ્રાન્સફર માટે સ્કેટરિંગ ફેઝ સ્પેસમાં તફાવતોના સંદર્ભમાં અમારા તારણોનું અર્થઘટન કરીએ છીએ. સ્પિન- અને વેલી-સિલેક્ટિવ ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના (22-25) સાથે સંયુક્ત WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ ગ્રાફીનમાં કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાફાસ્ટ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શન માટે એક નવું પ્લેટફોર્મ પૂરું પાડી શકે છે.
આકૃતિ 1A એપિટેક્સિયલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરની ΓK-દિશા સાથે બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરના હિલીયમ લેમ્પ સાથે મેળવેલ ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ARPES માપ દર્શાવે છે. ડાયરેક શંકુ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતાથી ~0.3 eV ઉપર સ્થિત ડાયરેક બિંદુ સાથે છિદ્ર-ડોપ થયેલ જોવા મળે છે. સ્પિન-સ્પ્લિટ WS2 સંયોજકતા બેન્ડનો ટોચનો ભાગ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતાથી ~1.2 eV નીચે જોવા મળે છે.
(A) અનપોલરાઇઝ્ડ હિલીયમ લેમ્પ વડે ΓK-દિશા સાથે માપવામાં આવેલ સંતુલન ફોટોકરન્ટ. (B) 26-eV ફોટોન ઊર્જા પર p-પોલરાઇઝ્ડ એક્સ્ટ્રીમ અલ્ટ્રાવાયોલેટ પલ્સ સાથે માપવામાં આવેલ નકારાત્મક પંપ-પ્રોબ વિલંબ માટે ફોટોકરન્ટ. ડેશેડ ગ્રે અને લાલ રેખાઓ આકૃતિ 2 માં ક્ષણિક ટોચની સ્થિતિઓ કાઢવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી રેખા પ્રોફાઇલ્સની સ્થિતિને ચિહ્નિત કરે છે. (C) 2 mJ/cm2 ના પંપ ફ્લુન્સ સાથે 2 eV ની પંપ ફોટોન ઊર્જા પર ફોટોએક્સિટેશન પછી 200 fs પર ફોટોકરન્ટના પંપ-પ્રેરિત ફેરફારો. ફોટોઇલેક્ટ્રોનનો લાભ અને નુકસાન અનુક્રમે લાલ અને વાદળી રંગમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. બોક્સ આકૃતિ 3 માં દર્શાવેલ પંપ-પ્રોબ ટ્રેસ માટે એકીકરણનો વિસ્તાર દર્શાવે છે.
આકૃતિ 1B પંપ પલ્સના આગમન પહેલાં નકારાત્મક પંપ-પ્રોબ વિલંબ પર 26-eV ફોટોન ઊર્જા પર 100-fs એક્સ્ટ્રીમ અલ્ટ્રાવાયોલેટ પલ્સ સાથે માપવામાં આવેલા WS2 અને ગ્રાફીન K-પોઇન્ટ્સની નજીક બેન્ડ સ્ટ્રક્ચરનો tr-ARPES સ્નેપશોટ બતાવે છે. અહીં, નમૂનાના અધોગતિ અને 2-eV પંપ પલ્સની હાજરીને કારણે સ્પિન સ્પ્લિટિંગ ઉકેલાતું નથી જે સ્પેક્ટ્રલ સુવિધાઓના સ્પેસ ચાર્જ વિસ્તરણનું કારણ બને છે. આકૃતિ 1C 200 fs ના પંપ-પ્રોબ વિલંબ પર આકૃતિ 1B ના સંદર્ભમાં ફોટોકરન્ટના પંપ-પ્રેરિત ફેરફારો દર્શાવે છે જ્યાં પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ તેની મહત્તમતા સુધી પહોંચે છે. લાલ અને વાદળી રંગો અનુક્રમે ફોટોઇલેક્ટ્રોનનો લાભ અને નુકસાન દર્શાવે છે.
આ સમૃદ્ધ ગતિશીલતાનું વધુ વિગતવાર વિશ્લેષણ કરવા માટે, આપણે સૌપ્રથમ પૂરક સામગ્રીમાં વિગતવાર સમજાવ્યા મુજબ, આકૃતિ 1B માં ડેશેડ રેખાઓ સાથે WS2 વેલેન્સ બેન્ડ અને ગ્રાફીન π-બેન્ડની ક્ષણિક ટોચ સ્થિતિઓ નક્કી કરીએ છીએ. આપણે શોધી કાઢીએ છીએ કે WS2 વેલેન્સ બેન્ડ 90 meV (આકૃતિ 2A) દ્વારા ઉપર શિફ્ટ થાય છે અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ 50 meV (આકૃતિ 2B) દ્વારા નીચે શિફ્ટ થાય છે. આ શિફ્ટ્સનું ઘાતાંકીય જીવનકાળ WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડ માટે 1.2 ± 0.1 ps અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ માટે 1.7 ± 0.3 ps હોવાનું જાણવા મળ્યું છે. આ શિફ્ટ્સ બે સ્તરોના ક્ષણિક ચાર્જિંગનો પ્રથમ પુરાવો પૂરો પાડે છે, જ્યાં વધારાના ધન (નકારાત્મક) ચાર્જ ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓની બંધનકર્તા ઊર્જામાં વધારો (ઘટાડો) કરે છે. નોંધ કરો કે WS2 વેલેન્સ બેન્ડનું અપશિફ્ટ આકૃતિ 1C માં બ્લેક બોક્સ દ્વારા ચિહ્નિત વિસ્તારમાં અગ્રણી પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ માટે જવાબદાર છે.
પંપ-પ્રોબ વિલંબ અને ઘાતાંકીય ફિટ (જાડી રેખાઓ) ના કાર્ય તરીકે WS2 વેલેન્સ બેન્ડ (A) અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ (B) ની ટોચની સ્થિતિમાં ફેરફાર. (A) માં WS2 શિફ્ટનું જીવનકાળ 1.2 ± 0.1 ps છે. (B) માં ગ્રાફીન શિફ્ટનું જીવનકાળ 1.7 ± 0.3 ps છે.
આગળ, આપણે આકૃતિ 1C માં રંગીન બોક્સ દ્વારા દર્શાવેલ વિસ્તારો પર પંપ-પ્રોબ સિગ્નલને એકીકૃત કરીએ છીએ અને આકૃતિ 3 માં પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે પરિણામી ગણતરીઓનું પ્લોટ કરીએ છીએ. આકૃતિ 3 માં વળાંક 1 એ WS2 સ્તરના વહન બેન્ડના તળિયે નજીકના ફોટોએક્સાઇટેડ કેરિયર્સની ગતિશીલતા દર્શાવે છે જે ડેટા સાથે ઘાતાંકીય ફિટમાંથી મેળવેલા 1.1 ± 0.1 ps ના જીવનકાળ સાથે છે (પૂરક સામગ્રી જુઓ).
આકૃતિ 1C માં દર્શાવેલ બોક્સ દ્વારા દર્શાવેલ વિસ્તાર પર ફોટોકરન્ટને એકીકૃત કરીને મેળવવામાં આવતા વિલંબના કાર્ય તરીકે પમ્પ-પ્રોબ ટ્રેસ કરે છે. જાડી રેખાઓ ડેટા સાથે ઘાતાંકીય ફિટ છે. વક્ર (1) WS2 ના વહન બેન્ડમાં ક્ષણિક વાહક વસ્તી. વક્ર (2) સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતા ઉપર ગ્રાફીનના π-બેન્ડનો પમ્પ-પ્રોબ સિગ્નલ. વક્ર (3) સંતુલન રાસાયણિક સંભવિતતા નીચે ગ્રાફીનના π-બેન્ડનો પમ્પ-પ્રોબ સિગ્નલ. વક્ર (4) WS2 ના સંયોજકતા બેન્ડમાં નેટ પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ. આયુષ્ય 1.2 ± 0.1 ps in (1), 180 ± 20 fs (ગેઇન) અને ∼2 ps (નુકસાન) in (2), અને 1.8 ± 0.2 ps in (3) જોવા મળે છે.
આકૃતિ 3 ના વક્ર 2 અને 3 માં, આપણે ગ્રાફીન π-બેન્ડના પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ બતાવીએ છીએ. આપણે શોધી કાઢીએ છીએ કે સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત (આકૃતિ 3 માં વક્ર 2) ની ઉપર ઇલેક્ટ્રોનનો લાભ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત (આકૃતિ 3 માં 1.8 ± 0.2 ps) ની નીચે ઇલેક્ટ્રોનના નુકસાનની તુલનામાં ઘણો ઓછો આયુષ્ય (180 ± 20 fs) ધરાવે છે. વધુમાં, આકૃતિ 3 ના વક્ર 2 માં ફોટોકરન્ટનો પ્રારંભિક લાભ t = 400 fs પર ~2 ps ના જીવનકાળ સાથે નુકસાનમાં ફેરવાય છે. અનકવર્ડ મોનોલેયર ગ્રાફીનના પંપ-પ્રોબ સિગ્નલમાં લાભ અને નુકસાન વચ્ચેની અસમપ્રમાણતા ગેરહાજર જોવા મળે છે (પૂરક સામગ્રીમાં આકૃતિ S5 જુઓ), જે દર્શાવે છે કે અસમપ્રમાણતા WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં ઇન્ટરલેયર કપ્લીંગનું પરિણામ છે. સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત ઉપર અને નીચે અનુક્રમે ટૂંકા ગાળાના લાભ અને લાંબા ગાળાના નુકસાનનું અવલોકન સૂચવે છે કે હેટરોસ્ટ્રક્ચરના ફોટોએક્સિટેશન પર ગ્રાફીન સ્તરમાંથી ઇલેક્ટ્રોન કાર્યક્ષમ રીતે દૂર કરવામાં આવે છે. પરિણામે, ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે, જે આકૃતિ 2B માં જોવા મળતા π-બેન્ડની બંધનકર્તા ઊર્જામાં વધારા સાથે સુસંગત છે. π-બેન્ડનું ડાઉનશિફ્ટ સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત ઉપરથી સંતુલન ફર્મી-ડાયરેક વિતરણની ઉચ્ચ-ઊર્જા પૂંછડીને દૂર કરે છે, જે આકૃતિ 3 ના વળાંક 2 માં પંપ-પ્રોબ સિગ્નલના ચિહ્નના ફેરફારને આંશિક રીતે સમજાવે છે. અમે નીચે બતાવીશું કે π-બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનના ક્ષણિક નુકસાન દ્વારા આ અસર વધુ વધે છે.
આ દૃશ્ય આકૃતિ 3 ના વળાંક 4 માં WS2 વેલેન્સ બેન્ડના નેટ પંપ-પ્રોબ સિગ્નલ દ્વારા સમર્થિત છે. આ ડેટા આકૃતિ 1B માં બ્લેક બોક્સ દ્વારા આપવામાં આવેલા ક્ષેત્ર પર ગણતરીઓને એકીકૃત કરીને મેળવવામાં આવ્યો હતો જે બધા પંપ-પ્રોબ વિલંબ પર વેલેન્સ બેન્ડમાંથી ફોટો ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનને કેપ્ચર કરે છે. પ્રાયોગિક ભૂલ બારમાં, અમને કોઈપણ પંપ-પ્રોબ વિલંબ માટે WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં છિદ્રોની હાજરી માટે કોઈ સંકેત મળતો નથી. આ સૂચવે છે કે, ફોટોએક્સિટેશન પછી, આ છિદ્રો આપણા ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશનની તુલનામાં ટૂંકા સમય સ્કેલ પર ઝડપથી ફરીથી ભરવામાં આવે છે.
WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ સેપરેશનની અમારી પૂર્વધારણા માટે અંતિમ પુરાવો પૂરો પાડવા માટે, અમે પૂરક સામગ્રીમાં વિગતવાર વર્ણવ્યા મુજબ ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત છિદ્રોની સંખ્યા નક્કી કરીએ છીએ. ટૂંકમાં, π-બેન્ડના ક્ષણિક ઇલેક્ટ્રોનિક વિતરણને ફર્મી-ડાયરેક વિતરણ સાથે ફીટ કરવામાં આવ્યું હતું. ત્યારબાદ છિદ્રોની સંખ્યા ક્ષણિક રાસાયણિક સંભવિતતા અને ઇલેક્ટ્રોનિક તાપમાન માટે પરિણામી મૂલ્યોમાંથી ગણતરી કરવામાં આવી હતી. પરિણામ આકૃતિ 4 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. આપણે શોધી કાઢીએ છીએ કે ~5 × 1012 છિદ્રો/cm2 ની કુલ સંખ્યા WS2 થી ગ્રાફીનમાં 1.5 ± 0.2 ps ના ઘાતાંકીય જીવનકાળ સાથે સ્થાનાંતરિત થાય છે.
પંપ-પ્રોબ વિલંબના કાર્ય તરીકે π-બેન્ડમાં છિદ્રોની સંખ્યામાં ફેરફાર અને ઘાતાંકીય ફિટ 1.5 ± 0.2 ps નું જીવનકાળ આપે છે.
આકૃતિ 2 થી 4 માં આપેલા તારણોમાંથી, WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર માટે નીચેનું સૂક્ષ્મ ચિત્ર બહાર આવે છે (આકૃતિ 5). 2 eV પર WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરનું ફોટોએક્સિટેશન WS2 માં A-એક્સિટોનને મુખ્યત્વે ભરે છે (આકૃતિ 5A). ગ્રાફીનમાં ડાયરેક બિંદુ પર તેમજ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડ વચ્ચે વધારાના ઇલેક્ટ્રોનિક ઉત્તેજના ઉર્જાથી શક્ય છે પરંતુ નોંધપાત્ર રીતે ઓછા કાર્યક્ષમ છે. WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં ફોટોએક્સિટેડ છિદ્રો આપણા ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશન (આકૃતિ 5A) ની તુલનામાં ટૂંકા સમય સ્કેલ પર ગ્રાફીન π-બેન્ડમાંથી ઉદ્ભવતા ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા ફરીથી ભરવામાં આવે છે. WS2 ના વાહક બેન્ડમાં ફોટોએક્સિટેડ ઇલેક્ટ્રોનનું જીવનકાળ ∼1 ps (આકૃતિ 5B) છે. જો કે, ગ્રાફીન π-બેન્ડ (આકૃતિ 5B) માં છિદ્રોને ફરીથી ભરવા માટે ∼2 ps લાગે છે. આ સૂચવે છે કે, WS2 વહન બેન્ડ અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ વચ્ચે સીધા ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર સિવાય, વધારાના છૂટછાટ માર્ગો - કદાચ ખામી સ્થિતિઓ (26) દ્વારા - સંપૂર્ણ ગતિશીલતાને સમજવા માટે ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છે.
(A) 2 eV પર WS2 A-એક્સિટોનના રેઝોનન્સ પર ફોટોએક્સિટેશન WS2 ના વાહકતા બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોન ઇન્જેક્ટ કરે છે. WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં અનુરૂપ છિદ્રો ગ્રાફીન π-બેન્ડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા તરત જ ફરીથી ભરાય છે. (B) WS2 ના વાહકતા બેન્ડમાં ફોટોએક્સિટેટેડ કેરિયર્સનું આયુષ્ય ~1 ps છે. ગ્રાફીન π-બેન્ડમાં છિદ્રો ~2 ps માટે જીવંત રહે છે, જે ડેશવાળા તીરો દ્વારા દર્શાવેલ વધારાના સ્કેટરિંગ ચેનલોનું મહત્વ દર્શાવે છે. (A) અને (B) માં કાળી ડેશવાળી રેખાઓ બેન્ડ શિફ્ટ અને રાસાયણિક સંભવિતતામાં ફેરફાર સૂચવે છે. (C) ક્ષણિક સ્થિતિમાં, WS2 સ્તર નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે જ્યારે ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે. ગોળાકાર ધ્રુવીકરણવાળા પ્રકાશ સાથે સ્પિન-પસંદગીયુક્ત ઉત્તેજના માટે, WS2 માં ફોટોએક્સિટેટેડ ઇલેક્ટ્રોન અને ગ્રાફીનમાં અનુરૂપ છિદ્રો વિરુદ્ધ સ્પિન ધ્રુવીકરણ દર્શાવે તેવી અપેક્ષા છે.
ક્ષણિક સ્થિતિમાં, ફોટોએક્સાઇટેડ ઇલેક્ટ્રોન WS2 ના વાહકતા બેન્ડમાં રહે છે જ્યારે ફોટોએક્સાઇટેડ છિદ્રો ગ્રાફીનના π-બેન્ડમાં સ્થિત હોય છે (આકૃતિ 5C). આનો અર્થ એ છે કે WS2 સ્તર નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ છે અને ગ્રાફીન સ્તર હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ છે. આ ક્ષણિક ટોચ શિફ્ટ (આકૃતિ 2), ગ્રાફીન પંપ-પ્રોબ સિગ્નલની અસમપ્રમાણતા (આકૃતિ 3 ના વણાંકો 2 અને 3), WS2 ના વેલેન્સ બેન્ડમાં છિદ્રોની ગેરહાજરી (વળાંક 4 આકૃતિ 3), તેમજ ગ્રાફીન π-બેન્ડમાં વધારાના છિદ્રો (આકૃતિ 4) માટે જવાબદાર છે. આ ચાર્જ-વિભાજિત સ્થિતિનું જીવનકાળ ∼1 ps (વળાંક 1 આકૃતિ 3) છે.
પ્રકાર II બેન્ડ સંરેખણ અને સ્ટેગર્ડ બેન્ડગેપ (27–32) સાથે બે ડાયરેક્ટ-ગેપ સેમિકન્ડક્ટરમાંથી બનેલા સંબંધિત વાન ડેર વાલ્સ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સમાં સમાન ચાર્જ-વિભાજિત ક્ષણિક સ્થિતિઓ જોવા મળી છે. ફોટોએક્સિટેશન પછી, ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઝડપથી વહન બેન્ડના તળિયે અને વેલેન્સ બેન્ડની ટોચ પર, અનુક્રમે, હેટરોસ્ટ્રક્ચરના વિવિધ સ્તરોમાં સ્થિત હોવાનું જાણવા મળ્યું (27–32).
અમારા WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરના કિસ્સામાં, ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો બંને માટે ઊર્જાની દ્રષ્ટિએ સૌથી અનુકૂળ સ્થાન ધાતુના ગ્રાફીન સ્તરમાં ફર્મી સ્તરે છે. તેથી, કોઈ એવી અપેક્ષા રાખી શકે છે કે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો બંને ઝડપથી ગ્રાફીન π-બેન્ડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. જો કે, અમારા માપ સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે કે છિદ્ર ટ્રાન્સફર (<200 fs) ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર (∼1 ps) કરતાં ઘણું વધુ કાર્યક્ષમ છે. અમે આને આકૃતિ 1A માં દર્શાવેલ WS2 અને ગ્રાફીન બેન્ડના સંબંધિત ઊર્જાસભર સંરેખણને આભારી છીએ જે તાજેતરમાં (14, 15) દ્વારા અપેક્ષિત ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફરની તુલનામાં છિદ્ર ટ્રાન્સફર માટે ઉપલબ્ધ અંતિમ સ્થિતિઓની મોટી સંખ્યા પ્રદાન કરે છે. હાલના કિસ્સામાં, ∼2 eV WS2 બેન્ડગેપ ધારીને, ગ્રાફીન ડાયરેક બિંદુ અને સંતુલન રાસાયણિક સંભવિત WS2 બેન્ડગેપના મધ્યથી અનુક્રમે ∼0.5 અને ∼0.2 eV ઉપર સ્થિત છે, જે ઇલેક્ટ્રોન-છિદ્ર સમપ્રમાણતાને તોડે છે. અમને જાણવા મળ્યું છે કે છિદ્ર સ્થાનાંતરણ માટે ઉપલબ્ધ અંતિમ અવસ્થાઓની સંખ્યા ઇલેક્ટ્રોન સ્થાનાંતરણ કરતા ~6 ગણી વધારે છે (પૂરક સામગ્રી જુઓ), તેથી જ છિદ્ર સ્થાનાંતરણ ઇલેક્ટ્રોન સ્થાનાંતરણ કરતા ઝડપી હોવાની અપેક્ષા છે.
જો કે, અવલોકન કરાયેલ અલ્ટ્રાફાસ્ટ અસમપ્રમાણ ચાર્જ ટ્રાન્સફરના સંપૂર્ણ સૂક્ષ્મ ચિત્રમાં, WS2 માં A-એક્સિટોન તરંગ કાર્ય બનાવતા ઓર્બિટલ્સ અને ગ્રાફીન π-બેન્ડ વચ્ચેના ઓવરલેપને પણ ધ્યાનમાં લેવું જોઈએ, અનુક્રમે વિવિધ ઇલેક્ટ્રોન-ઇલેક્ટ્રોન અને ઇલેક્ટ્રોન-ફોનન સ્કેટરિંગ ચેનલો, જેમાં ગતિ, ઊર્જા, સ્પિન અને સ્યુડોસ્પિન સંરક્ષણ દ્વારા લાદવામાં આવેલા અવરોધો, પ્લાઝ્મા ઓસિલેશનનો પ્રભાવ (33), તેમજ ચાર્જ ટ્રાન્સફરમાં મધ્યસ્થી કરી શકે તેવા સુસંગત ફોનોન ઓસિલેશનના સંભવિત વિસ્થાપન ઉત્તેજનાની ભૂમિકાનો સમાવેશ થાય છે (34, 35). ઉપરાંત, કોઈ અનુમાન કરી શકે છે કે અવલોકન કરાયેલ ચાર્જ ટ્રાન્સફર સ્થિતિમાં ચાર્જ ટ્રાન્સફર એક્સિટોન છે કે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ (પૂરક સામગ્રી જુઓ). આ મુદ્દાઓને સ્પષ્ટ કરવા માટે વર્તમાન પેપરના અવકાશની બહાર જતા વધુ સૈદ્ધાંતિક તપાસની જરૂર છે.
સારાંશમાં, અમે એપિટેક્સિયલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ઇન્ટરલેયર ચાર્જ ટ્રાન્સફરનો અભ્યાસ કરવા માટે tr-ARPES નો ઉપયોગ કર્યો છે. અમને જાણવા મળ્યું કે, જ્યારે 2 eV પર WS2 ના A-એક્સિટોન માટે રેઝોનન્સ પર ઉત્તેજિત થાય છે, ત્યારે ફોટોએક્સાઇટેડ છિદ્રો ઝડપથી ગ્રાફીન સ્તરમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જ્યારે ફોટોએક્સાઇટેડ ઇલેક્ટ્રોન WS2 સ્તરમાં રહે છે. અમે આનું કારણ એ હકીકતને આભારી છીએ કે હોલ ટ્રાન્સફર માટે ઉપલબ્ધ અંતિમ અવસ્થાઓની સંખ્યા ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર કરતા મોટી છે. ચાર્જ-સેપરેટેડ ક્ષણિક અવસ્થાનું જીવનકાળ ~1 ps હોવાનું જાણવા મળ્યું. ગોળાકાર ધ્રુવીકૃત પ્રકાશ (22-25) નો ઉપયોગ કરીને સ્પિન-સિલેક્ટિવ ઓપ્ટિકલ ઉત્તેજના સાથે સંયોજનમાં, અવલોકન કરાયેલ અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ ટ્રાન્સફર સ્પિન ટ્રાન્સફર સાથે હોઈ શકે છે. આ કિસ્સામાં, તપાસાયેલ WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ ગ્રાફીનમાં કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શન માટે થઈ શકે છે જેના પરિણામે નવલકથા ઓપ્ટોસ્પિન્ટ્રોનિક ઉપકરણો થાય છે.
ગ્રાફીનના નમૂનાઓ SiCrystal GmbH ના વાણિજ્યિક સેમિકન્ડક્ટિંગ 6H-SiC(0001) વેફર્સ પર ઉગાડવામાં આવ્યા હતા. N-ડોપેડ વેફર્સ 0.5° થી નીચે મિસકટ સાથે અક્ષ પર હતા. સ્ક્રેચ દૂર કરવા અને નિયમિત ફ્લેટ ટેરેસ મેળવવા માટે SiC સબસ્ટ્રેટને હાઇડ્રોજન-કોતરવામાં આવ્યું હતું. સ્વચ્છ અને અણુ રીતે સપાટ Si-ટર્મિનેટેડ સપાટીને પછી 8 મિનિટ (36) માટે Ar વાતાવરણમાં 1300°C પર નમૂનાને એનિલ કરીને ગ્રાફિટાઇઝ કરવામાં આવી હતી. આ રીતે, અમે એક કાર્બન સ્તર મેળવ્યું જ્યાં દરેક ત્રીજો કાર્બન અણુ SiC સબસ્ટ્રેટ (37) સાથે સહસંયોજક બંધન બનાવે છે. આ સ્તરને પછી હાઇડ્રોજન ઇન્ટરકેલેશન (38) દ્વારા સંપૂર્ણપણે sp2-હાઇબ્રિડાઇઝ્ડ ક્વાસી ફ્રી-સ્ટેન્ડિંગ હોલ-ડોપેડ ગ્રાફીનમાં ફેરવવામાં આવ્યું હતું. આ નમૂનાઓને ગ્રાફીન/H-SiC(0001) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આખી પ્રક્રિયા Aixtron ના વાણિજ્યિક બ્લેક મેજિક ગ્રોથ ચેમ્બરમાં હાથ ધરવામાં આવી હતી. WS2 વૃદ્ધિ પ્રમાણભૂત ગરમ-દિવાલ રિએક્ટરમાં 1:100 ના દળ ગુણોત્તર સાથે WO3 અને S પાવડરનો ઉપયોગ કરીને ઓછા દબાણવાળા રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપણ (39, 40) દ્વારા કરવામાં આવી હતી. WO3 અને S પાવડરને અનુક્રમે 900 અને 200°C પર રાખવામાં આવ્યા હતા. WO3 પાવડરને સબસ્ટ્રેટની નજીક મૂકવામાં આવ્યો હતો. 8 sccm ના પ્રવાહ સાથે વાહક ગેસ તરીકે આર્ગોનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. રિએક્ટરમાં દબાણ 0.5 mbar પર રાખવામાં આવ્યું હતું. નમૂનાઓને ગૌણ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી, અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી, રામન અને ફોટોલ્યુમિનેસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, તેમજ ઓછી-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યા હતા. આ માપનોએ બે અલગ અલગ WS2 સિંગલ-સ્ફટિકીય ડોમેન્સ જાહેર કર્યા જ્યાં ΓK- અથવા ΓK'-દિશા ગ્રાફીન સ્તરની ΓK-દિશા સાથે ગોઠવાયેલ છે. ડોમેન બાજુની લંબાઈ 300 અને 700 nm વચ્ચે બદલાતી હતી, અને કુલ WS2 કવરેજ લગભગ ~40% જેટલું હતું, જે ARPES વિશ્લેષણ માટે યોગ્ય હતું.
ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા અને ગતિના દ્વિ-પરિમાણીય શોધ માટે ચાર્જ-કપ્લ્ડ ડિવાઇસ-ડિટેક્ટર સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને ગોળાર્ધ વિશ્લેષક (SPECS PHOIBOS 150) સાથે સ્ટેટિક ARPES પ્રયોગો કરવામાં આવ્યા હતા. બધા ફોટોઇમિશન પ્રયોગો માટે હાઇ-ફ્લક્સ He ડિસ્ચાર્જ સ્ત્રોત (VG Scienta VUV5000) ના અનપોલરાઇઝ્ડ, મોનોક્રોમેટિક He Iα રેડિયેશન (21.2 eV) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. અમારા પ્રયોગોમાં ઊર્જા અને કોણીય રિઝોલ્યુશન અનુક્રમે 30 meV અને 0.3° (0.01 Å−1 ને અનુરૂપ) કરતાં વધુ સારા હતા. બધા પ્રયોગો ઓરડાના તાપમાને હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. ARPES એક અત્યંત સપાટી-સંવેદનશીલ તકનીક છે. WS2 અને ગ્રાફીન સ્તર બંનેમાંથી ફોટોઇલેક્ટ્રોન બહાર કાઢવા માટે, ~40% ના અપૂર્ણ WS2 કવરેજવાળા નમૂનાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.
tr-ARPES સેટઅપ 1-kHz ટાઇટેનિયમ:સેફાયર એમ્પ્લીફાયર (કોહેરન્ટ લિજેન્ડ એલીટ ડ્યુઓ) પર આધારિત હતું. આર્ગોનમાં ઉચ્ચ હાર્મોનિક્સ જનરેશન માટે 2 mJ આઉટપુટ પાવરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરિણામી આત્યંતિક અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશ ગ્રેટિંગ મોનોક્રોમેટરમાંથી પસાર થયો હતો જે 26-eV ફોટોન ઊર્જા પર 100-fs પ્રોબ પલ્સ ઉત્પન્ન કરતો હતો. 8 mJ એમ્પ્લીફાયર આઉટપુટ પાવર ઓપ્ટિકલ પેરામેટ્રિક એમ્પ્લીફાયર (લાઇટ કન્વર્ઝનમાંથી HE-TOPAS) માં મોકલવામાં આવ્યો હતો. 2-eV પંપ પલ્સ મેળવવા માટે 1-eV ફોટોન ઊર્જા પર સિગ્નલ બીમને બીટા બેરિયમ બોરેટ ક્રિસ્ટલમાં ફ્રીક્વન્સી-ડબલ કરવામાં આવી હતી. tr-ARPES માપન હેમિસ્ફેરિકલ વિશ્લેષક (SPECS PHOIBOS 100) સાથે કરવામાં આવ્યું હતું. એકંદર ઊર્જા અને ટેમ્પોરલ રિઝોલ્યુશન અનુક્રમે 240 meV અને 200 fs હતું.
આ લેખ માટે પૂરક સામગ્રી http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 પર ઉપલબ્ધ છે.
આ એક ઓપન-એક્સેસ લેખ છે જે ક્રિએટિવ કોમન્સ એટ્રિબ્યુશન-નોન-કોમર્શિયલ લાઇસન્સની શરતો હેઠળ વિતરિત કરવામાં આવે છે, જે કોઈપણ માધ્યમમાં ઉપયોગ, વિતરણ અને પુનઃઉત્પાદનની મંજૂરી આપે છે, જ્યાં સુધી પરિણામી ઉપયોગ વ્યાપારી લાભ માટે ન હોય અને મૂળ કાર્ય યોગ્ય રીતે ટાંકવામાં આવ્યું હોય.
નોંધ: અમે ફક્ત તમારા ઇમેઇલ સરનામાંની વિનંતી કરીએ છીએ જેથી તમે જે વ્યક્તિને પેજની ભલામણ કરી રહ્યા છો તે જાણી શકે કે તમે ઇચ્છો છો કે તે તેમને દેખાય, અને તે જંક મેઇલ નથી. અમે કોઈ ઇમેઇલ સરનામું કેપ્ચર કરતા નથી.
આ પ્રશ્ન તમે માનવ મુલાકાતી છો કે નહીં તે ચકાસવા અને સ્વચાલિત સ્પામ સબમિશન અટકાવવા માટે છે.
સ્વેન એસ્ક્લિમન, એન્ટોનિયો રોસી, મારિયાના ચાવેઝ-સર્વેન્ટેસ, રઝવાન ક્રાઉઝ, બેનિટો આર્નોલ્ડી, બેન્જામિન સ્ટેડટમુલર, માર્ટિન એસ્ક્લિમન, સ્ટીવન ફોર્ટી, ફિલિપો ફેબરી, કેમિલા કોલેટી, ઇસાબેલા ગિયર્સ દ્વારા
અમે WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ સેપરેશન શોધી કાઢીએ છીએ જે કદાચ ગ્રાફીનમાં ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શનને સક્ષમ કરે છે.
સ્વેન એસ્ક્લિમન, એન્ટોનિયો રોસી, મારિયાના ચાવેઝ-સર્વેન્ટેસ, રઝવાન ક્રાઉઝ, બેનિટો આર્નોલ્ડી, બેન્જામિન સ્ટેડટમુલર, માર્ટિન એસ્ક્લિમન, સ્ટીવન ફોર્ટી, ફિલિપો ફેબરી, કેમિલા કોલેટી, ઇસાબેલા ગિયર્સ દ્વારા
અમે WS2/ગ્રાફીન હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ ચાર્જ સેપરેશન શોધી કાઢીએ છીએ જે કદાચ ગ્રાફીનમાં ઓપ્ટિકલ સ્પિન ઇન્જેક્શનને સક્ષમ કરે છે.
© 2020 અમેરિકન એસોસિએશન ફોર ધ એડવાન્સમેન્ટ ઓફ સાયન્સ. સર્વાધિકાર આરક્ષિત. AAAS એ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef અને COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 ના ભાગીદાર છે.
પોસ્ટ સમય: મે-25-2020