Spectroscopia photoemissionis tempore et angulo resoluta (tr-ARPES) ad investigandam translationem celerrimam electricitatis in heterostructura epitaxiali ex monostrato WS2 et grapheno facta utimur. Haec heterostructura utilitates semiconductoris cum hiatu directo cum forti copulatione spin-orbitae et forti interactione lucis et materiae cum illis semimetalli vectores sine massa cum mobilitate altissima et vita spin longissima coniungit. Invenimus, post photoexcitationem ad resonantiam ad A-excitonem in WS2, foramina photoexcitata celeriter in stratum grapheni transferri, dum electrones photoexcitati in strato WS2 manent. Status transitorius a electricitate separata resultans vitam circiter 1 ps habere invenitur. Inventa nostra differentiis in spatio phasium dispersionis, quae a relativa alignatione zonarum WS2 et grapheni causantur, ut per ARPES altae resolutionis revelatur, attribuimus. In combinatione cum excitatione optica spin-selectiva, heterostructura WS2/grapheni investigata fortasse suggestum praebet pro efficaci injectione spin optica in graphenum.
Praesto multarum materiarum bidimensionalium possibilitatem aperuit ad novas heterostructuras tenuissimas creandas, functionibus omnino novis innixis, quae in protectione dielectrica ad usum aptata et variis effectibus proximitatis inductis nituntur (1-3). Instrumenta ad probationem principii destinata ad futuras applicationes in campo electronicae et optoelectronicae iam denuo inventa sunt (4-6).
Hic, in heterostructuris epitaxialibus van der Waals intenti sumus, constantes ex monostrato WS2, semiconductore cum hiatu directo cum forti copulatione spin-orbitae et notabili divisione spin structurae fasciae propter symmetriam inversionis fractam (7), et monostrato grapheno, semimetallo cum structura fasciae conica et mobilitate vectorum altissima (8), in SiC(0001) hydrogenio terminato crevisse. Prima indicia translationis electricae ultravelocis (9-15) et effectuum copulationis spin-orbitae proximitate inductorum (16-18) WS2/graphenum et heterostructuras similes candidatos promittentes pro futuris applicationibus optoelectronicis (19) et optospintronicis (20) faciunt.
Propositum nostrum erat vias relaxationis parium electron-foraminis photogeneratorum in WS2/grapheno per spectroscopiam photoemissionis tempore et angulo resolutas (tr-ARPES) revelare. Ad hunc finem, heterostructuram impulsibus antliae 2-eV ad excitonem A in WS2 resonantibus excitamus (21, 12) et photoelectrona secundo impulsu exploratoris tempore differto ad energiam photonicam 26-eV eiicimus. Energiam cineticam et angulum emissionis photoelectronum analysatore hemisphaerico determinamus ut functionem dilationis antliae-exploratoris ut ad dynamicam vectorum momentum, energiam, et tempore resolutam accedere. Resolutio energiae et temporis est 240 meV et 200 fs, respective.
Nostrae conclusiones testimonium directum praebent translationis electricitatis ultravelocis inter strata epitaxialiter ordinata, prima indicia confirmantia, quae in technicis omnino opticis fundantur, in similibus heterostructuris manu compositis cum arbitraria ordinatione azimuthali stratorum (9-15). Praeterea, demonstramus hanc translationem electricitatis valde asymmetricam esse. Nostrae mensurae statum transitorium, antea non observatum, a carica separatum, cum electronibus et foraminibus photoexcitatis in strato WS2 et grapheni respective locatis, qui per ∼1 ps vivit, revelant. Inventa nostra interpretamur secundum differentias in spatio phasium dispersionis pro translatione electronorum et foraminum, quae a relativa ordinatione fasciarum WS2 et grapheni causantur, ut per ARPES altae resolutionis revelatur. Cum excitatione optica selectiva secundum spinum et vallem (22-25), heterostructurae WS2/grapheni novam suggestum pro injectione spinorum opticarum ultravelocis efficaci in graphenum praebere possunt.
Figura 1A mensuram ARPES altae resolutionis, lampade helii factam, structurae fasciae secundum directionem ΓK heterostructurae epitaxialis WS2/grapheni ostendit. Conus Dirac foraminibus obtectus invenitur, puncto Dirac circiter 0.3 eV supra potentiale chemicum aequilibrii sito. Summum fasciae valentiae WS2 spin-split circiter 1.2 eV infra potentiale chemicum aequilibrii situm invenitur.
(A) Photocurrentis aequilibrii secundum directionem ΓK cum lampade helii non polarizata mensuratus. (B) Photocurrentis pro mora negativa antliae-sondae mensuratus cum pulsibus ultraviolettis extremis p-polarizatis ad energiam photonum 26 eV. Lineae griseae et rubrae punctatae positionem profilum linearum ad extrahendas positiones apicis transitorias in Figura 2 indicant. (C) Mutationes photocurrentis ab antlia inductae 200 fs post photoexcitationem ad energiam photonum antliae 2 eV cum fluentia antliae 2 mJ/cm2. Lucrum et amissio photoelectronum rubro et caeruleo respective monstrantur. Quadrata aream integrationis pro vestigiis antliae-sondae in Figura 3 monstratis indicant.
Figura 1B imaginem tr-ARPES structurae zonae prope puncta K WS2 et grapheni ostendit, mensurata pulsibus ultraviolaceae extremi 100 fs ad energiam photonicam 26 eV cum mora negativa antliae electronis ante adventum pulsus antliae. Hic, divisio spinorum non resolvitur propter degradationem exempli et praesentiam pulsus antliae 2 eV qui dilatationem oneris spatialis proprietatum spectralium efficit. Figura 1C mutationes photocurrentis antlia inductas respectu Figurae 1B ostendit cum mora antliae electronis 200 fs ubi signum antliae electronis maximum attingit. Colores ruber et caeruleus augmentum et iacturam photoelectronum respective indicant.
Ut has dynamicas divitias accuratius examinemus, primum positiones apicis transitorias fasciae valentiae WS2 et fasciae π grapheni secundum lineas interruptas in Figura 1B, ut in Materiis Supplementis fusius explicatur, determinamus. Invenimus fasciam valentiae WS2 sursum 90 meV moveri (Figura 2A) et fasciam π grapheni deorsum 50 meV moveri (Figura 2B). Tempus vitae exponentiale harum mutationum invenitur esse 1.2 ± 0.1 ps pro fascia valentiae WS2 et 1.7 ± 0.3 ps pro fascia π grapheni. Hae mutationes apicis primam probationem onerationis transitoriae duarum stratorum praebent, ubi oneratio positiva (negativa) addita energiam ligationis statuum electronicorum auget (minuit). Nota translationem sursum fasciae valentiae WS2 causam esse pro signo prominenti "pump-probe" in area a capsa nigra in Figura 1C designata.
Mutatio positionis apicis fasciae valentiae WS2 (A) et fasciae π grapheni (B) pro functione morae antliae-exploratoris una cum aptationibus exponentialibus (lineae crassae). Tempus vitae mutationis WS2 in (A) est 1.2 ± 0.1 ps. Tempus vitae mutationis grapheni in (B) est 1.7 ± 0.3 ps.
Deinde, signum antliae-exploratoris super areas quadratis coloratis in Figura 1C indicatas integramus et numeros resultantes secundum morae antliae-exploratoris in Figura 3 depingimus. Curva 1 in Figura 3 dynamicam vectorum photoexcitatorum prope imum zonae conductionis strati WS2 ostendit cum vita 1.1 ± 0.1 ps ex aptatione exponentiali ad data obtenta (vide Materias Supplementarias).
Vestigia antliae-sondae pro functione morae, obtenta integrando photocurrentem super aream indicatam a quadris in Figura 1C. Lineae crassae sunt aptationes exponentiales ad data. Curva (1) Populatio vectorum transitoria in fascia conductionis WS2. Curva (2) Signum antliae-sondae fasciae π grapheni supra potentiale chemicum aequilibrii. Curva (3) Signum antliae-sondae fasciae π grapheni infra potentiale chemicum aequilibrii. Curva (4) Signum antliae-sondae netum in fascia valentiae WS2. Tempora vitae inveniuntur esse 1.2 ± 0.1 ps in (1), 180 ± 20 fs (amplificatio) et ~2 ps (amissio) in (2), et 1.8 ± 0.2 ps in (3).
In curvis 2 et 3 Figurae 3, signum antliae-sondae π-fasciae grapheni demonstramus. Invenimus augmentum electronum supra potentialem chemicum aequilibrii (curva 2 in Figura 3) tempus vitae multo brevius habere (180 ± 20 fs) comparatum cum iactura electronum infra potentialem chemicum aequilibrii (1.8 ± 0.2 ps in curva 3 Figura 3). Praeterea, augmentum initiale photocurrentis in curva 2 Figurae 3 invenitur in iacturam mutari apud t = 400 fs cum tempore vitae ~2 ps. Asymmetria inter augmentum et iacturam abesse invenitur in signo antliae-sondae grapheni monostrati detecti (vide figuram S5 in Materiis Supplementis), quod indicat asymmetriam esse consequentiam copulationis interstratorum in heterostructura WS2/grapheni. Observatio amplificationis brevis et amissionee diuturnae supra et infra potentiale chemicum aequilibrii respective indicat electrones efficaciter a strato grapheni removeri photoexcitatione heterostructurae. Propterea, stratum grapheni positive oneratur, quod congruit cum incremento energiae ligationis fasciae π in Figura 2B invento. Deorsum fasciae π caudam altae energiae distributionis Fermi-Dirac aequilibrii supra potentiale chemicum aequilibrii removet, quod partim mutationem signi signi antliae-exploratoris in curva 2 Figurae 3 explicat. Infra demonstrabimus hunc effectum ulterius augeri amissione transeunte electronum in fascia π.
Hoc scenario confirmatur signo retiario "pump-probe" fasciae valentiae WS2 in curva 4 Figurae 3. Haec data obtenta sunt integrando numerationes super aream datam a capsa nigra in Figura 1B quae electrones photoemissos a fascia valentiae omnibus moris "pump-probe" capit. Intra lineas erroris experimentalis, nullam indicationem praesentiae foraminum in fascia valentiae WS2 pro ulla mora "pump-probe" invenimus. Hoc indicat, post photoexcitationem, haec foramina celeriter reimpleri in scala temporali brevi comparata cum nostra resolutione temporali.
Ut probationem finalem hypotheseos nostrae separationis celerrimae oneris in heterostructura WS2/grapheni praebeamus, numerum foraminum ad stratum grapheni translatorum determinamus, ut in Materiis Supplementis fusius descriptum est. Breviter, distributio electronica transitoria fasciae π distributione Fermi-Dirac aptata est. Numerus foraminum deinde ex valoribus resultantibus pro potentiali chemico transitorio et temperatura electronica calculatus est. Resultatum in Figura 4 ostenditur. Invenimus numerum totalem ~5 × 1012 foraminum/cm2 a WS2 ad graphenum transferri cum tempore vitae exponentiali 1.5 ± 0.2 ps.
Mutatio numeri foraminum in fascia π pro functione morae antliae-exploratoris una cum aptatione exponentiali, producens tempus vitae 1.5 ± 0.2 ps.
Ex inventis in Figuris 2 ad 4, imago microscopica sequens translationis celerrimae oneris in heterostructura WS2/grapheni emergit (Fig. 5). Photoexcitatio heterostructurae WS2/grapheni ad 2 eV excitonem A in WS2 dominanter populat (Fig. 5A). Excitationes electronicae additionales trans punctum Dirac in grapheno necnon inter WS2 et fascias grapheni energetice possibiles sunt sed multo minus efficaces. Foramina photoexcitata in fascia valentiae WS2 ab electronibus ex fascia π grapheni oriundis replentur in scala temporali brevi comparata cum nostra resolutione temporali (Fig. 5A). Electrona photoexcitata in fascia conductionis WS2 tempus vitae circiter 1 ps habent (Fig. 5B). Attamen, circiter 2 ps requiruntur ad foramina in fascia π grapheni replenda (Fig. 5B). Hoc indicat, praeter translationem electronicam directam inter zonam conductionis WS2 et zonam π grapheni, vias relaxationis additionales — fortasse per status defectuum (26) — considerandas esse ad dynamicam plenam intellegendam.
(A) Photoexcitatio ad resonantiam ad A-excitonem WS2 ad 2 eV electrones in zonam conductionis WS2 iniicit. Foramina correspondentia in zona valentiae WS2 statim replentur electronibus ex zona π grapheni. (B) Vectores photoexcitati in zona conductionis WS2 tempus vitae circiter 1 ps habent. Foramina in zona π grapheni per circiter 2 ps vivunt, quod momentum canalum dispersionis additorum, sagittis interruptis indicatorum, indicat. Lineae nigrae interruptae in (A) et (B) translationes zonarum et mutationes in potentia chemica indicant. (C) In statu transitorio, stratum WS2 negative oneratum est, dum stratum grapheni positive oneratum est. Pro excitatione spin-selectiva cum luce circulariter polarizata, electrones photoexcitati in WS2 et foramina correspondentia in grapheno polarizationem spin oppositam ostendere exspectantur.
In statu transitorio, electrones photoexcitati in fascia conductionis WS2 resident, dum foramina photoexcitata in fascia π grapheni sita sunt (Fig. 5C). Hoc significat stratum WS2 negative oneratum esse et stratum grapheni positive oneratum. Hoc mutationes cacuminum transitorias (Fig. 2), asymmetriam signi antliae-exploratoris grapheni (curvae 2 et 3 Fig. 3), absentiam foraminum in fascia valentiae WS2 (curva 4 Fig. 3), necnon foramina addita in fascia π grapheni (Fig. 4) explicat. Tempus vitae huius status a carica separata est ~1 ps (curva 1 Fig. 3).
Similes status transientes separati a carica observati sunt in heterostructuris van der Waals similibus, ex duobus semiconductoribus cum hiatu directo cum ordinatione fasciae typi II et hiatu fasciae dislocato factis (27-32). Post photoexcitationem, electrones et foramina celeriter ad imum fasciae conductionis et ad summum fasciae valentiae respective moveri inventum est, quae in diversis stratis heterostructurae sita sunt (27-32).
In casu heterostructurae nostrae WS2/grapheni, locus energetice maxime favens tam electronibus quam foraminibus est ad gradum Fermi in strato grapheni metallico. Ergo, quis exspectaret ut et electrones et foramina celeriter ad π-fasciam grapheni transferantur. Attamen, mensurae nostrae clare ostendunt translationem foraminum (<200 fs) multo efficaciorem esse quam translationem electronum (∼1 ps). Hoc attribuitur relativae ordinationi energeticae fasciarum WS2 et grapheni, ut in Figura 1A revelatur, quae maiorem numerum statuum finalium praebet pro translatione foraminum comparatum cum translatione electronum, ut nuper anticipatum est a (14, 15). In hoc casu, assumendo hiatum fasciae WS2 ∼2 eV, punctum Dirac grapheni et potentiale chemicum aequilibrii ∼0.5 et ∼0.2 eV supra medium hiatus fasciae WS2 respective sita sunt, symmetriam electron-foraminis frangentes. Invenimus numerum statuum finalium praesto pro translatione foraminum esse ~sexies maiorem quam pro translatione electronum (vide Materias Supplementares), quam ob rem translatio foraminum velocior quam translatio electronum esse exspectatur.
Imago microscopica completa translationis asymmetricae celerrimae observatae tamen etiam considerare debet congruentiam inter orbitales qui functionem undae A-excitonis in WS2 et π-band grapheni respective constituunt, diversos canales dispersionis electron-electron et electron-phonon, inter quos restrictiones a conservatione momenti, energiae, spini, et pseudospini impositas, influxum oscillationum plasmatis (33), necnon munus possibilis excitationis displacivae oscillationum phonon cohaerentium quae translationem oneris mediare possint (34, 35). Praeterea, quis speculari potest utrum status translationis oneris observatus ex excitonibus translationis oneris an ex paribus liberis electron-foraminis consistat (vide Materias Supplementarias). Investigationes theoreticae ulteriores, quae fines huius scripti ultra progrediuntur, requiruntur ad has quaestiones elucidandas.
Summa summarum, tr-ARPES adhibuimus ad translationem celerrimam oneris interstratorum in heterostructura epitaxiali WS2/grapheni investigandam. Invenimus, cum ad resonantiam ad A-excitonem WS2 ad 2 eV excitantur, foramina photoexcitata celeriter in stratum grapheni transferri, dum electrones photoexcitati in strato WS2 manent. Hoc tribuimus facti quod numerus statuum finalium praesto pro translatione foraminum maior est quam pro translatione electronum. Tempus vitae status transientis a nodis separatis inventus est esse ~1 ps. In combinatione cum excitatione optica spin-selectiva utens luce circulariter polarizata (22-25), translatio celerrima oneris observata fortasse cum translatione spini comitari potest. Hoc in casu, heterostructura WS2/grapheni investigata fortasse ad efficientem injectionem spini optici in graphenum adhiberi potest, quae in novis machinis optospintronicis resultat.
Exempla grapheni in laminis semiconductoribus commercialibus 6H-SiC(0001) a SiCrystal GmbH culta sunt. Laminae N-dopatae in axe erant cum errore sectionis infra 0.5°. Substratum SiC hydrogenio corrosum est ad scalpturas removendas et planas terrassas regulares obtinendas. Superficies Si-terminata, munda et atomice plana, deinde graphitata est per recoctionem exempli in atmosphaera Ar ad 1300°C per 8 min (36). Hoc modo, stratum carbonis singulare obtinuimus ubi unumquodque tertium atomum carbonis vinculum covalentem cum substrato SiC formavit (37). Hoc stratum deinde in graphenum quasi liberum, foraminibus dopatum, omnino sp2-hybridatum, per intercalationem hydrogenii (38) conversum est. Haec exempla graphenum/H-SiC(0001) appellantur. Totus processus in camera accretionis commerciali Black Magic ab Aixtron peractus est. Incrementum WS2 in reactore calido parietibus communibus per depositionem vaporis chemici sub pressione humili (39, 40) peractum est, pulveribus WO3 et S cum proportione massae 1:100 ut praecursoribus utentibus. Pulveres WO3 et S ad 900 et 200°C respective conservati sunt. Pulvis WO3 prope substratum positus est. Argon ut gas vector cum fluxu 8 sccm adhibitum est. Pressio in reactore ad 0.5 mbar conservata est. Exempla microscopia electronica secundaria, microscopia vis atomicae, Raman, et spectroscopia photoluminescentiae, necnon diffractione electronica energiae humilis, descripta sunt. Hae mensurae duo diversa dominia WS2 monocrystallina revelaverunt, ubi vel directio ΓK vel ΓK' cum directione ΓK strati grapheni congruit. Longitudines laterum dominiorum inter 300 et 700 nm variabant, et totalis opertio WS2 ad ~40% approximata est, apta analysi ARPES.
Experimenta ARPES statica peracta sunt analysatore hemisphaerico (SPECS PHOIBOS 150) utens systemate detectoris cum coniunctione electrica ad detectionem bidimensionalem energiae et momenti electronicorum. Radiatio He Iα monochromatica non polarisata (21.2 eV) fontis exonerationis He magni fluxus (VG Scienta VUV5000) omnibus experimentis photoemissionis adhibita est. Energia et resolutio angularis in experimentis nostris meliores erant quam 30 meV et 0.3° (correspondentia 0.01 Å−1), respective. Omnia experimenta temperatura ambiente peracta sunt. ARPES est ars superficiei valde sensibilis. Ad eicienda photoelectrona et ex strato WS2 et ex strato grapheni, exempla cum tegumento WS2 incompleto ∼40% adhibita sunt.
Apparatus tr-ARPES in amplificatore Titanium:Sapphire 1 kHz (Coherent Legend Elite Duo) fundatus est. Potentia emissa 2 mJ ad harmonicas altas in argone generandas adhibita est. Lux ultraviolaceae extremae resultans per monochromatorem craticulatum transiit, impulsus exploratorios 100 fs cum energia photonica 26 eV producens. Potentia emissa amplificatoris 8 mJ in amplificatorem parametricum opticum (HE-TOPAS ex Light Conversion) missa est. Fasciculus signalis cum energia photonica 1 eV frequentia duplicata est in crystallo beta barii borati ad impulsus antliae 2 eV obtinendos. Mensurae tr-ARPES cum analysatore hemisphaerico (SPECS PHOIBOS 100) peractae sunt. Resolutio energiae totalis et temporalis 240 meV et 200 fs respective erat.
Materia supplementaria huic articulo inveniri potest apud http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1.
Hic est articulus libere accessibilis distributus sub condicionibus licentiae Creative Commons Attribution-NonCommercial, quae usum, distributionem, et reproductionem in quolibet medio permittit, dummodo usus inde ortus non sit ad commodum commerciale et opus originale rite citetur.
NOTA: Inscriptionem electronicam tuam tantum rogamus ut persona cui paginam commendas sciat te eam videre voluisse, et non litteras inutiles esse. Nullam inscriptionem electronicam capimus.
Haec quaestio est ad explorandum utrum sis visitator humanus necne et ad prohibendas submissiones automatas epistularum inutilium.
Auctore Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chavez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Separationem celerrimam caricarum in heterostructura WS2/grapheni revelamus, quae fortasse iniectionem spinorum opticum in graphenum permittit.
Auctore Sven Aeschlimann, Antonio Rossi, Mariana Chavez-Cervantes, Razvan Krause, Benito Arnoldi, Benjamin Stadtmüller, Martin Aeschlimann, Stiven Forti, Filippo Fabbri, Camilla Coletti, Isabella Gierz
Separationem celerrimam caricarum in heterostructura WS2/grapheni revelamus, quae fortasse iniectionem spinorum opticum in graphenum permittit.
© 2020 Societas Americana ad profectum Scientiae. All rights reserved. AAAS socius HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef et COUNTER.Scientiae progressuum ISSN 2375-2548.
Tempus publicationis: XXV Maii MMXX