ეპიტაქსიურ WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურებში ულტრასწრაფი მუხტის გამოყოფის ეფექტური პირდაპირი მტკიცებულება

ჩვენ ვიყენებთ დროისა და კუთხის გარჩევადობის ფოტოემისიურ სპექტროსკოპიას (tr-ARPES) ულტრასწრაფი მუხტის გადაცემის შესასწავლად ერთშრიან WS2-სა და გრაფენისგან დამზადებულ ეპიტაქსიალურ ჰეტეროსტრუქტურაში. ეს ჰეტეროსტრუქტურა აერთიანებს პირდაპირი უფსკრულის მქონე ნახევარგამტარის უპირატესობებს ძლიერი სპინ-ორბიტალური შეერთებით და ძლიერი სინათლე-მატერიის ურთიერთქმედებით, ნახევარმეტალის უპირატესობებთან, რომელიც მასპინძლობს უმასო მატარებლებს უკიდურესად მაღალი მობილურობით და ხანგრძლივი სპინის სიცოცხლის ხანგრძლივობით. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ WS2-ში A-ექსიტონთან რეზონანსზე ფოტოაგზნების შემდეგ, ფოტოაგზნებული ხვრელები სწრაფად გადადის გრაფენის ფენაში, ხოლო ფოტოაგზნებული ელექტრონები რჩებიან WS2 ფენაში. შედეგად მიღებული მუხტით გამოყოფილი გარდამავალი მდგომარეობის სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 1 ps-ია. ჩვენ ჩვენს დასკვნებს მივაწერთ გაფანტვის ფაზური სივრცის განსხვავებებს, რაც გამოწვეულია WS2-ისა და გრაფენის ზოლების ფარდობითი განლაგებით, როგორც ეს მაღალი გარჩევადობის ARPES-ით არის გამოვლენილი. სპინ-სელექციურ ოპტიკურ აგზნებასთან ერთად, შესწავლილი WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურა შეიძლება უზრუნველყოფდეს პლატფორმას გრაფენში ეფექტური ოპტიკური სპინური ინექციისთვის.

მრავალი განსხვავებული ორგანზომილებიანი მასალის ხელმისაწვდომობამ გახსნა შესაძლებლობა, შეიქმნას სრულიად ახალი ფუნქციონალურობით აღჭურვილი, სრულიად თხელი ჰეტეროსტრუქტურები, რომლებიც დაფუძნებულია მორგებულ დიელექტრიკულ ეკრანირებასა და სხვადასხვა სიახლოვით გამოწვეულ ეფექტებზე (1–3). რეალიზებულია პრინციპის დამადასტურებელი მოწყობილობები ელექტრონიკისა და ოპტოელექტრონიკის სფეროში მომავალი გამოყენებისთვის (4–6).

აქ ჩვენ ყურადღებას ვამახვილებთ ეპიტაქსიალურ ვან დერ ვაალის ჰეტეროსტრუქტურებზე, რომლებიც შედგება მონოშრიანი WS2-ისგან, პირდაპირი უფსკრულიანი ნახევარგამტარისგან ძლიერი სპინ-ორბიტული შეერთებით და ზოლის სტრუქტურის მნიშვნელოვანი სპინური გახლეჩვით დარღვეული ინვერსიული სიმეტრიის გამო (7), და მონოშრიანი გრაფენისგან, ნახევარლითონისგან კონუსური ზოლის სტრუქტურით და უკიდურესად მაღალი მატარებლის მობილურობით (8), რომელიც გაზრდილია წყალბადით დამთავრებულ SiC(0001)-ზე. ულტრასწრაფი მუხტის გადაცემის (9–15) და სიახლოვით გამოწვეული სპინ-ორბიტული შეერთების ეფექტების (16–18) პირველი ჩვენებები WS2/გრაფენს და მსგავს ჰეტეროსტრუქტურებს იმედისმომცემ კანდიდატებად აქცევს მომავალი ოპტოელექტრონული (19) და ოპტოსპინტრონული (20) აპლიკაციებისთვის.

ჩვენ გადავწყვიტეთ, WS2/გრაფენში ფოტოგენერირებული ელექტრონ-ხვრელის წყვილების რელაქსაციის გზები დროით და კუთხით გადაჭრილი ფოტოემისიური სპექტროსკოპიის (tr-ARPES) გამოყენებით გამოგვევლინა. ამ მიზნით, ჩვენ აღვგზნებთ ჰეტეროსტრუქტურას 2-eV ტუმბოს იმპულსებით, რომლებიც რეზონანსულია WS2-ში (21, 12) A-ექსიტონთან და გამოვყოფთ ფოტოელექტრონებს მეორე დროში დაგვიანებული ზონდის იმპულსით 26-eV ფოტონის ენერგიით. ჩვენ განვსაზღვრავთ ფოტოელექტრონების კინეტიკურ ენერგიას და გამოსხივების კუთხეს ნახევარსფეროს ანალიზატორის გამოყენებით, ტუმბო-ზონდის დაყოვნების ფუნქციის სახით, რათა მივიღოთ წვდომა იმპულსის, ენერგიის და დროში გადაჭრილი მატარებლის დინამიკაზე. ენერგიის და დროის გარჩევადობა შესაბამისად 240 meV და 200 fs-ია.

ჩვენი შედეგები ეპიტაქსიალურად გასწორებულ ფენებს შორის ულტრასწრაფი მუხტის გადაცემის პირდაპირ მტკიცებულებას იძლევა, რაც ადასტურებს პირველ მინიშნებებს სრულიად ოპტიკურ ტექნიკაზე დაფუძნებულ მსგავს ხელით აწყობილ ჰეტეროსტრუქტურებში ფენების თვითნებური აზიმუტალური განლაგებით (9–15). გარდა ამისა, ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ ეს მუხტის გადაცემა ძალიან ასიმეტრიულია. ჩვენი გაზომვები ავლენს აქამდე დაუკვირვებელ მუხტით გამოყოფილ გარდამავალ მდგომარეობას ფოტოაგზნებული ელექტრონებითა და ხვრელებით, რომლებიც განლაგებულია შესაბამისად WS2 და გრაფენის ფენაში და რომელიც ცოცხლობს დაახლოებით 1 ps-ის განმავლობაში. ჩვენ ჩვენს დასკვნებს ვხსნით ელექტრონებისა და ხვრელების გადაცემის გაფანტვის ფაზური სივრცის განსხვავებების თვალსაზრისით, რაც გამოწვეულია WS2 და გრაფენის ზოლების ფარდობითი განლაგებით, როგორც ეს გამოვლინდა მაღალი გარჩევადობის ARPES-ით. სპინ- და ველი-სელექციურ ოპტიკურ აგზნებასთან ერთად (22–25), WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურებმა შეიძლება უზრუნველყონ ახალი პლატფორმა გრაფენში ეფექტური ულტრასწრაფი ოპტიკური სპინური ინექციისთვის.

სურათი 1A გვიჩვენებს მაღალი გარჩევადობის ARPES გაზომვას, რომელიც მიღებულია ზოლის სტრუქტურის ჰელიუმის ნათურით ეპიტაქსიალური WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურის ΓK მიმართულებით. აღმოჩნდა, რომ დირაკის კონუსი ნახვრეტით არის დოპირებული, დირაკის წერტილი კი წონასწორობის ქიმიური პოტენციალიდან დაახლოებით 0.3 eV-ით მაღლა მდებარეობს. სპინ-გაყოფის WS2 ვალენტური ზოლის ზედა ნაწილი წონასწორობის ქიმიური პოტენციალიდან დაახლოებით 1.2 eV-ით დაბლაა.

(A) წონასწორობის ფოტოდენი, გაზომილი ΓK მიმართულებით არაპოლარიზებული ჰელიუმის ნათურით. (B) უარყოფითი ტუმბო-ზონდის დაყოვნების ფოტოდენი, გაზომილი p-პოლარიზებული ექსტრემალური ულტრაიისფერი იმპულსებით 26-eV ფოტონის ენერგიაზე. წყვეტილი ნაცრისფერი და წითელი ხაზები აღნიშნავს ხაზის პროფილების პოზიციას, რომლებიც გამოიყენება გარდამავალი პიკური პოზიციების მოსაპოვებლად ნახ. 2-ზე. (C) ტუმბო-ინდუცირებული ფოტოდენის ცვლილებები 200 fs-ში ფოტოაგზნების შემდეგ 2 eV ტუმბოს ფოტონის ენერგიაზე და 2 mJ/cm2 ტუმბოს ფლუენსზე. ფოტოელექტრონების მომატება და დაკარგვა ნაჩვენებია შესაბამისად წითლად და ლურჯად. ჩარჩოები მიუთითებს ინტეგრაციის არეალს ტუმბო-ზონდის კვალისთვის, რომელიც ნაჩვენებია ნახ. 3-ზე.

სურათი 1B გვიჩვენებს WS2-თან და გრაფენის K წერტილებთან ახლოს მდებარე ზოლის სტრუქტურის tr-ARPES სურათს, რომელიც იზომება 100 fs ექსტრემალური ულტრაიისფერი იმპულსებით 26 fs ფოტონის ენერგიით, ტუმბო-ზონდის უარყოფითი დაყოვნებით ტუმბოს იმპულსის მოსვლამდე. აქ, სპინის გაყოფა არ წყდება ნიმუშის დეგრადაციის და 2 eV ტუმბოს იმპულსის არსებობის გამო, რაც იწვევს სპექტრული მახასიათებლების სივრცითი მუხტის გაფართოებას. სურათი 1C გვიჩვენებს ტუმბოთი გამოწვეულ ფოტოდენის ცვლილებებს სურათი 1B-სთან მიმართებაში ტუმბო-ზონდის 200 fs დაყოვნებით, სადაც ტუმბო-ზონდის სიგნალი მაქსიმუმს აღწევს. წითელი და ლურჯი ფერები შესაბამისად მიუთითებს ფოტოელექტრონების მომატებასა და დაკარგვაზე.

ამ მდიდარი დინამიკის უფრო დეტალურად გასაანალიზებლად, ჩვენ ჯერ განვსაზღვრავთ WS2 ვალენტური ზოლის და გრაფენის π-ზოლის გარდამავალი პიკური პოზიციებს ნახ. 1B-ზე წყვეტილი ხაზების გასწვრივ, როგორც ეს დეტალურად არის ახსნილი დამატებით მასალებში. ჩვენ ვხვდებით, რომ WS2 ვალენტური ზოლი ზემოთ გადაადგილდება 90 მევ-ით (ნახ. 2A), ხოლო გრაფენის π-ზოლი ქვემოთ გადაადგილდება 50 მევ-ით (ნახ. 2B). ამ ძვრების ექსპონენციალური სიცოცხლის ხანგრძლივობა WS2-ის ვალენტური ზოლისთვის არის 1.2 ± 0.1 ps წმ და გრაფენის π-ზოლისთვის 1.7 ± 0.3 ps წმ. ეს პიკური ძვრები წარმოადგენს ორი ფენის გარდამავალი დამუხტვის პირველ მტკიცებულებას, სადაც დამატებითი დადებითი (უარყოფითი) მუხტი ზრდის (ამცირებს) ელექტრონული მდგომარეობების შეკავშირების ენერგიას. გაითვალისწინეთ, რომ WS2 ვალენტური ზოლის ზემოთ გადახრა პასუხისმგებელია ნახ. 1C-ზე შავი ყუთით მონიშნულ ტერიტორიაზე გამოკვეთილ ტუმბო-ზონდის სიგნალზე.

WS2 ვალენტური ზოლის (A) და გრაფენის π-ზოლის (B) პიკური პოზიციის ცვლილება ტუმბო-ზონდის დაყოვნების ფუნქციასთან ერთად ექსპონენციალურ მორგებებთან (სქელი ხაზები). WS2 წანაცვლების სიცოცხლის ხანგრძლივობა (A)-ში არის 1.2 ± 0.1 ps. გრაფენის წანაცვლების სიცოცხლის ხანგრძლივობა (B)-ში არის 1.7 ± 0.3 ps.

შემდეგ, ჩვენ ვახდენთ ტუმბო-ზონდის სიგნალის ინტეგრირებას ნახ. 1C-ზე ფერადი უჯრებით მითითებულ ფართობებზე და შედეგად მიღებულ რაოდენობას ტუმბო-ზონდის დაყოვნების ფუნქციის სახით ნახ. 3-ზე გამოსახავთ. ნახ. 3-ზე მრუდი 1 გვიჩვენებს ფოტოაგზნებული მატარებლების დინამიკას WS2 ფენის გამტარობის ზოლის ძირთან ახლოს, 1.1 ± 0.1 ps-ის სიცოცხლის ხანგრძლივობით, რაც მიღებულია მონაცემებთან ექსპონენციალური მორგებით (იხილეთ დამატებითი მასალები).

ტუმბო-ზონდის კვალი, როგორც შეფერხების ფუნქცია, მიღებული ფოტოდენის ინტეგრირებით ნახ. 1C-ზე ჩარჩოებით მითითებულ ფართობზე. სქელი ხაზები წარმოადგენს მონაცემებზე ექსპონენციალურ მორგებას. მრუდი (1) WS2-ის გამტარობის ზოლში გარდამავალი მატარებლების პოპულაცია. მრუდი (2) გრაფენის π-ზონდის ტუმბო-ზონდის სიგნალი წონასწორობის ქიმიური პოტენციალის ზემოთ. მრუდი (3) გრაფენის π-ზონდის ტუმბო-ზონდის სიგნალი წონასწორობის ქიმიური პოტენციალის ქვემოთ. მრუდი (4) WS2-ის ვალენტურ ზოლში ტუმბო-ზონდის წმინდა სიგნალი. (1)-ში სიცოცხლის ხანგრძლივობაა 1.2 ± 0.1 ps, (2)-ში 180 ± 20 fs (მომატება) და ~2 ps (დანაკარგი) და (3)-ში 1.8 ± 0.2 ps.

ნახ. 3-ის მე-2 და მე-3 მრუდებში ნაჩვენებია გრაფენის π-ზოლის ტუმბო-ზონდის სიგნალი. ჩვენ ვხვდებით, რომ წონასწორობის ქიმიურ პოტენციალზე მაღალი ელექტრონების მომატებას (ნახ. 3-ის მრუდი 2) გაცილებით მოკლე სიცოცხლის ხანგრძლივობა აქვს (180 ± 20 ფ/წმ) წონასწორობის ქიმიურ პოტენციალზე დაბალი ელექტრონების დაკარგვასთან შედარებით (ნახ. 3-ის მრუდი 1.8 ± 0.2 ფ/წმ). გარდა ამისა, ნახ. 3-ის მრუდ 2-ში ფოტოდენის საწყისი მომატება t = 400 ფ/წმ-ზე ~2 ფ/წმ სიცოცხლის ხანგრძლივობით გარდაიქმნება დანაკარგად. დაუფარავი ერთშრიანი გრაფენის ტუმბო-ზონდის სიგნალში (იხ. ნახ. S5 დამატებით მასალებში) არ არის ასიმეტრია მომატებასა და დანაკარგს შორის, რაც მიუთითებს, რომ ასიმეტრია WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში შრეთაშორისი შეერთების შედეგია. წონასწორობის ქიმიური პოტენციალის ზემოთ და ქვემოთ ხანმოკლე მოგების და ხანგრძლივი დანაკარგის დაკვირვება, შესაბამისად, მიუთითებს, რომ ელექტრონები ეფექტურად იხსნება გრაფენის ფენიდან ჰეტეროსტრუქტურის ფოტოაგზნებისას. შედეგად, გრაფენის ფენა დადებითად დამუხტული ხდება, რაც შეესაბამება ნახ. 2B-ზე მოცემულ π-ზოლის შეკავშირების ენერგიის ზრდას. π-ზოლის ქვემოთ წანაცვლება წონასწორობის ფერმი-დირაკის განაწილების მაღალი ენერგიის კუდს წონასწორობის ქიმიური პოტენციალის ზემოთ აშორებს, რაც ნაწილობრივ ხსნის ტუმბო-ზონდის სიგნალის ნიშნის ცვლილებას ნახ. 3-ის მე-2 მრუდში. ქვემოთ ვაჩვენებთ, რომ ეს ეფექტი კიდევ უფრო ძლიერდება π-ზოლში ელექტრონების გარდამავალი დანაკარგით.

ამ სცენარს ადასტურებს ნახ. 3-ის მრუდ 4-ში მოცემული WS2 ვალენტური ზოლის წმინდა ტუმბო-ზონდის სიგნალი. ეს მონაცემები მიღებულია ნახ. 1B-ზე მოცემული შავი ყუთის მიერ მოცემულ ფართობზე დათვლების ინტეგრირებით, რომელიც იჭერს ვალენტური ზოლიდან ფოტოგამოსხივებულ ელექტრონებს ტუმბო-ზონდის ყველა დაყოვნების დროს. ექსპერიმენტული შეცდომის ზოლებში, ტუმბო-ზონდის ნებისმიერი დაყოვნების დროს, ჩვენ ვერ ვპოულობთ WS2-ის ვალენტურ ზოლში ხვრელების არსებობის ნიშანს. ეს მიუთითებს, რომ ფოტოაგზნების შემდეგ, ეს ხვრელები სწრაფად ივსება ჩვენს დროებით გარჩევადობასთან შედარებით მოკლე დროის შკალაზე.

WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში ულტრასწრაფი მუხტის გამოყოფის ჩვენი ჰიპოთეზის საბოლოო დასამტკიცებლად, ჩვენ განვსაზღვრავთ გრაფენის ფენაზე გადატანილი ხვრელების რაოდენობას, როგორც ეს დეტალურად არის აღწერილი დამატებით მასალებში. მოკლედ, π-ზოლის გარდამავალი ელექტრონული განაწილება მორგებული იყო ფერმი-დირაკის განაწილებაზე. შემდეგ ხვრელების რაოდენობა გამოითვალა გარდამავალი ქიმიური პოტენციალისა და ელექტრონული ტემპერატურის შედეგად მიღებული მნიშვნელობებიდან. შედეგი ნაჩვენებია ნახ. 4-ში. ჩვენ ვხვდებით, რომ WS2-დან გრაფენზე გადატანილია ∼5 × 1012 ხვრელი/სმ2, ექსპონენციალური სიცოცხლის ხანგრძლივობით 1.5 ± 0.2 ps.

π-ზოლში ხვრელების რაოდენობის ცვლილება ტუმბო-ზონდის დაყოვნების ფუნქციასთან ერთად ექსპონენციალურ მორგებასთან ერთად, რაც იძლევა 1.5 ± 0.2 ps სიცოცხლის ხანგრძლივობას.

ნახ. 2-დან 4-მდე მოცემული მონაცემებიდან ვიღებთ WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში ულტრასწრაფი მუხტის გადაცემის შემდეგ მიკროსკოპულ სურათს (ნახ. 5). WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურის ფოტოაგზნება 2 eV-ზე დომინანტურად ავსებს A-ექსიტონს WS2-ში (ნახ. 5A). დამატებითი ელექტრონული აგზნება დირაკის წერტილში გრაფენში, ასევე WS2-სა და გრაფენის ზოლებს შორის ენერგეტიკულად შესაძლებელია, მაგრამ მნიშვნელოვნად ნაკლებად ეფექტურია. WS2-ის ვალენტურ ზოლში ფოტოაგზნებული ხვრელები ივსება გრაფენის π-ზოლიდან წარმოშობილი ელექტრონებით ჩვენს დროით გარჩევადობასთან შედარებით მოკლე დროში (ნახ. 5A). WS2-ის გამტარ ზოლში ფოტოაგზნებული ელექტრონების სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 1 ps წმ-ია (ნახ. 5B). თუმცა, გრაფენის π-ზოლში ხვრელების შესავსებად დაახლოებით 2 ps წმ არის საჭირო (ნახ. 5B). ეს მიუთითებს, რომ WS2 გამტარობის ზოლსა და გრაფენის π-ზოლს შორის პირდაპირი ელექტრონების გადაცემის გარდა, სრული დინამიკის გასაგებად საჭიროა დამატებითი რელაქსაციის გზების გათვალისწინება - შესაძლოა დეფექტური მდგომარეობების მეშვეობით (26).

(A) WS2 A-ექსიტონით რეზონანსული ფოტოაგზნება 2 eV-ზე ელექტრონებს შეჰყავს WS2-ის გამტარობის ზონაში. WS2-ის ვალენტურ ზონაში შესაბამისი ხვრელები მყისიერად ივსება გრაფენის π-ზოლის ელექტრონებით. (B) WS2-ის გამტარობის ზონაში ფოტოაგზნებული მატარებლების სიცოცხლის ხანგრძლივობაა ~1 ps. გრაფენის π-ზოლში ხვრელები ცოცხლობენ ~2 ps, რაც მიუთითებს წყვეტილი ისრებით მითითებული დამატებითი გაფანტვის არხების მნიშვნელობაზე. (A) და (B) წერტილებში შავი წყვეტილი ხაზები მიუთითებს ზოლების წანაცვლებებსა და ქიმიური პოტენციალის ცვლილებებზე. (C) გარდამავალ მდგომარეობაში, WS2 ფენა უარყოფითად დამუხტულია, ხოლო გრაფენის ფენა დადებითად დამუხტულია. წრიულად პოლარიზებული სინათლით სპინ-სელექციური აგზნებისთვის, WS2-ში ფოტოაგზნებული ელექტრონები და გრაფენში შესაბამისი ხვრელები, სავარაუდოდ, საპირისპირო სპინურ პოლარიზაციას აჩვენებენ.

გარდამავალ მდგომარეობაში, ფოტოაგზნებული ელექტრონები WS2-ის გამტარობის ზოლში იმყოფებიან, ხოლო ფოტოაგზნებული ხვრელები გრაფენის π-ზოლში (სურ. 5C). ეს ნიშნავს, რომ WS2 ფენა უარყოფითად დამუხტულია, ხოლო გრაფენის ფენა დადებითად დამუხტული. ეს ხსნის გარდამავალ პიკურ ძვრებს (სურ. 2), გრაფენის ტუმბო-ზონდის სიგნალის ასიმეტრიას (სურ. 3-ის მრუდები 2 და 3), WS2-ის ვალენტურ ზოლში ხვრელების არარსებობას (მრუდი 4, სურ. 3), ასევე გრაფენის π-ზოლში დამატებით ხვრელებს (სურ. 4). ამ მუხტით გამოყოფილი მდგომარეობის სიცოცხლის ხანგრძლივობაა ~1 ps წმ (მრუდი 1, სურ. 3).

მსგავსი მუხტით გამოყოფილი გარდამავალი მდგომარეობები დაფიქსირდა მონათესავე ვან დერ ვაალის ჰეტეროსტრუქტურებში, რომლებიც დამზადებულია ორი პირდაპირი უფსკრულიანი ნახევარგამტარისგან, II ტიპის ზოლების განლაგებით და ცვლადი უფსკრულით (27–32). ფოტოაგზნების შემდეგ, აღმოჩნდა, რომ ელექტრონები და ხვრელები სწრაფად მოძრაობენ შესაბამისად გამტარობის ზოლის ქვედა და ვალენტური ზოლის ზედა ნაწილში, რომლებიც განლაგებულია ჰეტეროსტრუქტურის სხვადასხვა ფენებში (27–32).

ჩვენი WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურის შემთხვევაში, ელექტრონებისა და ხვრელებისთვის ენერგეტიკულად ყველაზე ხელსაყრელი მდებარეობა მეტალის გრაფენის ფენაში ფერმის დონეზეა. ამიტომ, მოსალოდნელია, რომ როგორც ელექტრონები, ასევე ხვრელები სწრაფად გადავიდნენ გრაფენის π-ზოლში. თუმცა, ჩვენი გაზომვები ნათლად აჩვენებს, რომ ხვრელების გადაცემა (<200 ფს) გაცილებით ეფექტურია, ვიდრე ელექტრონების გადაცემა (∼1 ფს). ჩვენ ამას მივაწერთ WS2-ისა და გრაფენის ზოლების შედარებით ენერგეტიკულ განლაგებას, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახ. 1A-ში, რომელიც გვთავაზობს ხვრელების გადაცემისთვის ხელმისაწვდომი საბოლოო მდგომარეობების უფრო დიდ რაოდენობას, ელექტრონების გადაცემასთან შედარებით, როგორც ამას ახლახანს ვარაუდობდნენ (14, 15). ამ შემთხვევაში, WS2-ის დაახლოებით 2 eV ზოლის დაშვებით, გრაფენის დირაკის წერტილი და წონასწორობის ქიმიური პოტენციალი განლაგებულია WS2 ზოლის შუა ნაწილიდან დაახლოებით 0.5 და ∼0.2 eV-ზე, შესაბამისად, რაც არღვევს ელექტრონ-ხვრელის სიმეტრიას. ჩვენ ვხვდებით, რომ ხვრელის გადატანისთვის ხელმისაწვდომი საბოლოო მდგომარეობების რაოდენობა დაახლოებით 6-ჯერ მეტია ელექტრონის გადატანის რაოდენობასთან შედარებით (იხილეთ დამატებითი მასალები), რის გამოც, სავარაუდოდ, ხვრელის გადატანა ელექტრონის გადატანაზე უფრო სწრაფი იქნება.

თუმცა, დაკვირვებული ულტრასწრაფი ასიმეტრიული მუხტის გადაცემის სრული მიკროსკოპული სურათი ასევე უნდა ითვალისწინებდეს WS2-ში A-ექსიტონური ტალღური ფუნქციის შემადგენელ ორბიტალებსა და გრაფენის π-ზოლს შორის გადაფარვას, შესაბამისად, სხვადასხვა ელექტრონ-ელექტრონულ და ელექტრონ-ფონონურ გაფანტვის არხებს, მათ შორის იმპულსის, ენერგიის, სპინის და ფსევდოსპინის კონსერვაციის მიერ დაწესებულ შეზღუდვებს, პლაზმური რხევების გავლენას (33), ასევე კოჰერენტული ფონონური რხევების შესაძლო გადაადგილებითი აგზნების როლს, რომელიც შეიძლება იყოს მუხტის გადაცემის შუამავალი (34, 35). ასევე, შეიძლება ვივარაუდოთ, შედგება თუ არა დაკვირვებული მუხტის გადაცემის მდგომარეობა მუხტის გადაცემის ექსციტონებისგან თუ თავისუფალი ელექტრონ-ხვრელის წყვილებისგან (იხილეთ დამატებითი მასალები). ამ საკითხების გასარკვევად საჭიროა შემდგომი თეორიული კვლევები, რომლებიც სცილდება ამ ნაშრომის ფარგლებს.

შეჯამებისთვის, ჩვენ გამოვიყენეთ tr-ARPES ეპიტაქსიურ WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში ულტრასწრაფი შრეშორისი მუხტის გადაცემის შესასწავლად. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ WS2-ის A-ექსიტონთან 2 eV-ზე რეზონანსის დროს აღგზნებისას, ფოტოაღგზნებული ხვრელები სწრაფად გადადის გრაფენის ფენაში, ხოლო ფოტოაღგზნებული ელექტრონები რჩებიან WS2 ფენაში. ჩვენ ეს მივაწერეთ იმ ფაქტს, რომ ხვრელების გადაცემისთვის ხელმისაწვდომი საბოლოო მდგომარეობების რაოდენობა უფრო მეტია, ვიდრე ელექტრონების გადაცემისთვის. მუხტით გამოყოფილი გარდამავალი მდგომარეობის სიცოცხლის ხანგრძლივობა აღმოჩნდა ~1 ps. სპინ-სელექციურ ოპტიკურ აგზნებასთან ერთად, წრიულად პოლარიზებული სინათლის გამოყენებით (22–25), დაკვირვებულ ულტრასწრაფ მუხტის გადაცემას შეიძლება თან ახლდეს სპინის გადაცემა. ამ შემთხვევაში, გამოკვლეული WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურა შეიძლება გამოყენებულ იქნას გრაფენში ეფექტური ოპტიკური სპინური ინექციისთვის, რაც გამოიწვევს ახალი ოპტოსპინტრონული მოწყობილობების შექმნას.

გრაფენის ნიმუშები გაიზარდა SiCrystal GmbH-ის კომერციულ ნახევარგამტარ 6H-SiC(0001) ვაფლებზე. N-დოპირებული ვაფლები ღერძზე იყო განლაგებული 0.5°-ზე ნაკლები არასწორი ჭრილით. SiC სუბსტრატი წყალბადით იქნა ამოტვიფრული ნაკაწრების მოსაშორებლად და რეგულარული ბრტყელი ტერასების მისაღებად. სუფთა და ატომურად ბრტყელი Si-ით დამთავრებული ზედაპირი შემდეგ გრაფიტიზირებული იქნა ნიმუშის Ar ატმოსფეროში 1300°C ტემპერატურაზე 8 წუთის განმავლობაში გამოწვით (36). ამ გზით მივიღეთ ერთი ნახშირბადის ფენა, სადაც ნახშირბადის ყოველი მესამე ატომი კოვალენტურ ბმას ქმნიდა SiC სუბსტრატთან (37). ეს ფენა შემდეგ გადაიქცა სრულად sp2-ჰიბრიდიზებული კვაზი თავისუფლად მდგომი ხვრელით დოპირებული გრაფენად წყალბადის ინტერკალაციის გზით (38). ეს ნიმუშები მოიხსენიება, როგორც გრაფენი/H-SiC(0001). მთელი პროცესი ჩატარდა Aixtron-ის კომერციულ Black Magic ზრდის კამერაში. WS2-ის ზრდა განხორციელდა სტანდარტულ ცხელკედლიან რეაქტორში დაბალი წნევის ქიმიური ორთქლის დეპონირებით (39, 40) 1:100 მასის თანაფარდობის WO3 და S ფხვნილების, როგორც პრეკურსორების გამოყენებით. WO3 და S ფხვნილები შენახული იყო შესაბამისად 900 და 200°C ტემპერატურაზე. WO3 ფხვნილი მოთავსებული იყო სუბსტრატთან ახლოს. არგონი გამოყენებული იყო როგორც გადამტანი აირი 8 sccm ნაკადით. რეაქტორში წნევა შენარჩუნებული იყო 0.5 მბარზე. ნიმუშები დახასიათდა მეორადი ელექტრონული მიკროსკოპიით, ატომური ძალის მიკროსკოპიით, რამანის და ფოტოლუმინესცენციის სპექტროსკოპიით, ასევე დაბალი ენერგიის ელექტრონული დიფრაქციით. ამ გაზომვებმა გამოავლინა ორი განსხვავებული WS2 ერთკრისტალური დომენი, სადაც ΓK- ან ΓK'- მიმართულება ემთხვევა გრაფენის ფენის ΓK- მიმართულებას. დომენის მხარის სიგრძე მერყეობდა 300-დან 700 ნმ-მდე, ხოლო WS2-ის მთლიანი დაფარვა დაახლოებით ~40%-ს შეადგენდა, რაც შესაფერისია ARPES ანალიზისთვის.

სტატიკური ARPES ექსპერიმენტები ჩატარდა ნახევარსფერული ანალიზატორით (SPECS PHOIBOS 150), ელექტრონული ენერგიისა და იმპულსის ორგანზომილებიანი აღმოჩენისთვის მუხტთან შეწყვილებული მოწყობილობა-დეტექტორის სისტემის გამოყენებით. ყველა ფოტოემისიის ექსპერიმენტისთვის გამოყენებული იყო მაღალი ნაკადის He განმუხტვის წყაროს (VG Scienta VUV5000) არაპოლარიზებული, მონოქრომატული He Iα გამოსხივება (21.2 eV). ჩვენს ექსპერიმენტებში ენერგია და კუთხური გარჩევადობა შესაბამისად 30 meV-ზე უკეთესი და 0.3° (შეესაბამება 0.01 Å−1-ს) იყო. ყველა ექსპერიმენტი ჩატარდა ოთახის ტემპერატურაზე. ARPES არის უკიდურესად ზედაპირულად მგრძნობიარე ტექნიკა. როგორც WS2-დან, ასევე გრაფენის ფენიდან ფოტოელექტრონების გამოსადევნად გამოყენებული იქნა ნიმუშები, რომელთა WS2 დაფარვა არასრული იყო ~40%.

tr-ARPES სისტემა დაფუძნებული იყო 1 kHz ტიტანი:საფირონის გამაძლიერებელზე (Coherent Legend Elite Duo). არგონში მაღალი ჰარმონიკების გენერირებისთვის გამოყენებული იყო 2 მჯ გამომავალი სიმძლავრე. შედეგად მიღებული ექსტრემალური ულტრაიისფერი სინათლე გაიარა ბადისებრ მონოქრომატორში, რამაც წარმოქმნა 100 fs ზონდის იმპულსები 26 eV ფოტონის ენერგიით. გამაძლიერებლის 8 მჯ გამომავალი სიმძლავრე გაიგზავნა ოპტიკურ პარამეტრულ გამაძლიერებელში (HE-TOPAS from Light Conversion). 1 eV ფოტონის ენერგიით სიგნალის სხივი გაორმაგდა სიხშირეზე ბეტა ბარიუმის ბორატის კრისტალში 2 eV ტუმბოს იმპულსების მისაღებად. tr-ARPES გაზომვები ჩატარდა ნახევარსფერული ანალიზატორით (SPECS PHOIBOS 100). საერთო ენერგია და დროითი გარჩევადობა იყო შესაბამისად 240 meV და 200 fs.

ამ სტატიის დამატებითი მასალა ხელმისაწვდომია შემდეგ ბმულზე: http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1

ეს არის ღია წვდომის სტატია, რომელიც გავრცელებულია Creative Commons Attribution-NonCommercial ლიცენზიის პირობებით, რომელიც ნებას რთავს გამოყენებას, გავრცელებას და რეპროდუცირებას ნებისმიერ მედიაში, იმ პირობით, რომ შედეგად მიღებული გამოყენება არ არის კომერციული სარგებლის მისაღებად და იმ პირობით, რომ ორიგინალი ნაშრომი სათანადოდ არის ციტირებული.

შენიშვნა: ჩვენ თქვენს ელექტრონული ფოსტის მისამართს მხოლოდ იმისთვის ვითხოვთ, რომ იმ პირმა, რომელსაც ამ გვერდს ურჩევთ, იცოდეს, რომ თქვენ მისი ნახვა გსურდათ და რომ ეს არ არის არასასურველი ფოსტა. ჩვენ არ ვიღებთ ელექტრონული ფოსტის მისამართს.

ეს კითხვა განკუთვნილია იმის შესამოწმებლად, ხართ თუ არა ადამიანი ვიზიტორი და ავტომატური სპამის გაგზავნის თავიდან ასაცილებლად.

ავტორი: სვენ აშლიმანი, ანტონიო როსი, მარიანა ჩავეს-სერვანტესი, რაზვან კრაუზე, ბენიტო არნოლდი, ბენჟამინ შტადტმიულერი, მარტინ აშლიმანი, სტივენ ფორტი, ფილიპო ფაბბრი, კამილა კოლეტი, იზაბელა გიერზი

ჩვენ ვავლენთ ულტრასწრაფ მუხტის გამოყოფას WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში, რაც შესაძლოა გრაფენში ოპტიკური სპინის ინექციის საშუალებას იძლეოდეს.

ავტორი: სვენ აშლიმანი, ანტონიო როსი, მარიანა ჩავეს-სერვანტესი, რაზვან კრაუზე, ბენიტო არნოლდი, ბენჟამინ შტადტმიულერი, მარტინ აშლიმანი, სტივენ ფორტი, ფილიპო ფაბბრი, კამილა კოლეტი, იზაბელა გიერზი

ჩვენ ვავლენთ ულტრასწრაფ მუხტის გამოყოფას WS2/გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურაში, რაც შესაძლოა გრაფენში ოპტიკური სპინის ინექციის საშუალებას იძლეოდეს.

© 2020 ამერიკული ასოციაცია მეცნიერების წინსვლისთვის. ყველა უფლება დაცულია. AAAS არის HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef და COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 პარტნიორი.