आम्ही मोनोलेअर WS2 आणि ग्राफीनपासून बनलेल्या एपिटॅक्सियल हेटेरोस्ट्रक्चरमधील अतिवेगवान चार्ज ट्रान्सफरचा अभ्यास करण्यासाठी टाइम- आणि अँगल-रिझॉल्व्ह्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (tr-ARPES) वापरतो. हे हेटेरोस्ट्रक्चर, स्ट्रॉंग स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग आणि स्ट्रॉंग लाईट-मॅटर इंटरॅक्शन असलेल्या डायरेक्ट-गॅप सेमीकंडक्टरचे फायदे, अत्यंत उच्च मोबिलिटी आणि दीर्घ स्पिन लाइफटाइम असलेल्या मासलेस कॅरियर्सना सामावून घेणाऱ्या सेमीमेटलच्या फायद्यांसोबत एकत्र आणते. आम्हाला असे आढळले की, WS2 मधील A-एक्सायटनच्या रेझोनन्सवर फोटोएक्साइटेशन झाल्यानंतर, फोटोएक्साइटेड होल्स वेगाने ग्राफीनच्या थरात ट्रान्सफर होतात, तर फोटोएक्साइटेड इलेक्ट्रॉन्स WS2 च्या थरातच राहतात. परिणामी चार्ज-सेपरेटेड ट्रान्झिएंट स्टेटचा लाइफटाइम ∼1 ps असल्याचे आढळले आहे. हाय-रिझोल्यूशन ARPES द्वारे उघड झालेल्या WS2 आणि ग्राफीन बँड्सच्या सापेक्ष अलाइनमेंटमुळे स्कॅटरिंग फेज स्पेसमध्ये निर्माण होणाऱ्या फरकांना आम्ही आमच्या निष्कर्षांचे श्रेय देतो. स्पिन-सिलेक्टिव्ह ऑप्टिकल एक्सायटेशनच्या संयोगाने, अभ्यासलेले WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चर ग्राफीनमध्ये कार्यक्षम ऑप्टिकल स्पिन इंजेक्शनसाठी एक व्यासपीठ प्रदान करू शकते.
अनेक वेगवेगळ्या द्विमितीय पदार्थांच्या उपलब्धतेमुळे, अनुरूप डायलेक्ट्रिक स्क्रीनिंग आणि विविध सान्निध्य-प्रेरित प्रभावांवर आधारित पूर्णपणे नवीन कार्यक्षमतेसह अत्यंत पातळ हेटेरोस्ट्रक्चर्स तयार करण्याची शक्यता निर्माण झाली आहे (1–3). इलेक्ट्रॉनिक्स आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रातील भविष्यातील अनुप्रयोगांसाठी तत्त्व-सिद्धी उपकरणे साकारली गेली आहेत (4–6).
येथे, आम्ही हायड्रोजन-टर्मिनेटेड SiC(0001) वर वाढवलेल्या, मोनोलेअर WS2, जो एक डायरेक्ट-गॅप सेमीकंडक्टर असून त्यात तीव्र स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग आणि भंग झालेल्या इन्व्हर्जन सिमेट्रीमुळे (7) बँड स्ट्रक्चरचे मोठे स्पिन स्प्लिटिंग असते, आणि मोनोलेअर ग्राफीन, जो एक सेमीमेटल असून त्यात कोनिकल बँड स्ट्रक्चर आणि अत्यंत उच्च कॅरियर मोबिलिटी (8) असते, यांपासून बनलेल्या एपिटॅक्सियल व्हॅन डर वाल्स हेटेरोस्ट्रक्चर्सवर लक्ष केंद्रित करतो. अल्ट्राफास्ट चार्ज ट्रान्सफर (9–15) आणि प्रॉक्सिमिटी-इंड्यूस्ड स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग इफेक्ट्सचे (16–18) पहिले संकेत WS2/ग्राफीन आणि तत्सम हेटेरोस्ट्रक्चर्सना भविष्यातील ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक (19) आणि ऑप्टोस्पिनट्रॉनिक (20) ॲप्लिकेशन्ससाठी आशादायक उमेदवार बनवतात.
आम्ही टाइम- आणि अँगल-रिझॉल्व्ह्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (tr-ARPES) वापरून WS2/ग्राफीनमध्ये फोटोजनित इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांचे रिलॅक्सेशन मार्ग उघड करण्याचा प्रयत्न केला. त्या उद्देशासाठी, आम्ही WS2 मधील A-एक्सायटनशी अनुनादित 2-eV पंप पल्सेसने हेटेरोस्ट्रक्चरला उत्तेजित करतो (21, 12) आणि 26-eV फोटॉन ऊर्जेच्या दुसऱ्या टाइम-डिलेड प्रोब पल्सने फोटोइलेक्ट्रॉन बाहेर काढतो. मोमेंटम-, ऊर्जा- आणि टाइम-रिझॉल्व्ह्ड कॅरियर डायनॅमिक्समध्ये प्रवेश मिळवण्यासाठी आम्ही पंप-प्रोब डिलेच्या फंक्शननुसार हेमिस्फेरिकल ॲनालायझरने फोटोइलेक्ट्रॉनची गतिज ऊर्जा आणि उत्सर्जन कोन निश्चित करतो. ऊर्जा आणि वेळ रिझोल्यूशन अनुक्रमे 240 meV आणि 200 fs आहे.
आमचे निष्कर्ष एपिटॅक्सियली संरेखित थरांमधील अतिवेगवान चार्ज हस्तांतरणाचा थेट पुरावा देतात, जे थरांच्या अनियंत्रित अझिमथल संरेखनासह (9-15) अशाच प्रकारच्या हाताने तयार केलेल्या हेटेरोस्ट्रक्चर्समधील सर्व-ऑप्टिकल तंत्रांवर आधारित पहिल्या संकेतांची पुष्टी करतात. याव्यतिरिक्त, आम्ही दाखवतो की हे चार्ज हस्तांतरण अत्यंत असममित आहे. आमच्या मोजमापांमधून एक पूर्वी कधीही न पाहिलेली चार्ज-विभक्त क्षणिक अवस्था उघड होते, ज्यात फोटोउत्तेजित इलेक्ट्रॉन आणि होल अनुक्रमे WS2 आणि ग्राफीन थरात स्थित असतात आणि ती ∼1 ps पर्यंत टिकते. आम्ही आमच्या निष्कर्षांचा अर्थ उच्च-रिझोल्यूशन ARPES द्वारे प्रकट झालेल्या WS2 आणि ग्राफीन बँड्सच्या सापेक्ष संरेखनामुळे इलेक्ट्रॉन आणि होल हस्तांतरणासाठी स्कॅटरिंग फेज स्पेसमध्ये होणाऱ्या फरकांच्या संदर्भात लावतो. स्पिन- आणि व्हॅली-निवडक ऑप्टिकल उत्तेजनासह (22-25) एकत्रित केल्यास, WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चर्स ग्राफीनमध्ये कार्यक्षम अतिवेगवान ऑप्टिकल स्पिन इंजेक्शनसाठी एक नवीन व्यासपीठ प्रदान करू शकतात.
आकृती 1A मध्ये एपिटॅक्सियल WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरच्या ΓK-दिशेतील बँड संरचनेचे, हेलियम दिव्याने घेतलेले उच्च-रिझोल्यूशन ARPES मापन दर्शविले आहे. डिराक कोन होल-डोप केलेला असून, त्याचा डिराक बिंदू समतोल रासायनिक विभवाच्या सुमारे 0.3 eV वर स्थित आहे. स्पिन-स्प्लिट WS2 व्हॅलेन्स बँडचे शिखर समतोल रासायनिक विभवाच्या सुमारे 1.2 eV खाली असल्याचे आढळले आहे.
(अ) अध्रुवीकृत हेलियम दिव्याने ΓK-दिशेने मोजलेला समतोल फोटोकरंट. (ब) २६-eV फोटॉन ऊर्जेवर p-ध्रुवीकृत अतिनील स्पंदांनी मोजलेला, नकारात्मक पंप-प्रोब विलंबासाठीचा फोटोकरंट. तुटक राखाडी आणि लाल रेषा, आकृती २ मधील क्षणिक शिखर स्थाने काढण्यासाठी वापरलेल्या लाइन प्रोफाइलची स्थिती दर्शवतात. (क) २ eV पंप फोटॉन ऊर्जा आणि २ mJ/cm² पंप फ्लुएन्सवर, फोटोउत्तेजनानंतर २०० fs ने पंप-प्रेरित फोटोकरंटमधील बदल. फोटोइलेक्ट्रॉनची प्राप्ती आणि हानी अनुक्रमे लाल आणि निळ्या रंगात दर्शविली आहे. चौकोन आकृती ३ मध्ये दर्शविलेल्या पंप-प्रोब ट्रेससाठी समाकलनाचे क्षेत्र दर्शवतात.
आकृती 1B मध्ये, पंप पल्सच्या आगमनापूर्वी नकारात्मक पंप-प्रोब डिलेवर, 26-eV फोटॉन ऊर्जेच्या 100-fs अतिनील पल्सेसने मोजलेल्या WS2 आणि ग्राफीन K-पॉइंट्सजवळील बँड स्ट्रक्चरचा tr-ARPES स्नॅपशॉट दर्शविला आहे. येथे, नमुन्याच्या ऱ्हासामुळे आणि 2-eV पंप पल्सच्या उपस्थितीमुळे, ज्यामुळे स्पेक्ट्रल वैशिष्ट्यांचे स्पेस चार्ज ब्रॉडनिंग होते, स्पिन स्प्लिटिंग स्पष्टपणे दिसत नाही. आकृती 1C मध्ये, 200 fs च्या पंप-प्रोब डिलेवर, जिथे पंप-प्रोब सिग्नल कमाल पातळीवर पोहोचतो, तिथे आकृती 1B च्या तुलनेत फोटोकरंटमधील पंप-प्रेरित बदल दर्शविले आहेत. लाल आणि निळे रंग अनुक्रमे फोटोइलेक्ट्रॉन्सची वाढ आणि घट दर्शवतात.
या समृद्ध गतिशीलतेचे अधिक तपशीलवार विश्लेषण करण्यासाठी, आम्ही प्रथम पूरक सामग्रीमध्ये तपशीलवार स्पष्ट केल्याप्रमाणे, आकृती 1B मधील तुटक रेषांवर WS2 व्हॅलेन्स बँड आणि ग्राफीन π-बँडच्या क्षणिक शिखर स्थिती निश्चित करतो. आम्हाला असे आढळले की WS2 व्हॅलेन्स बँड 90 meV ने वर सरकतो (आकृती 2A) आणि ग्राफीन π-बँड 50 meV ने खाली सरकतो (आकृती 2B). या सरकण्यांचे घातांकीय आयुर्मान WS2 च्या व्हॅलेन्स बँडसाठी 1.2 ± 0.1 ps आणि ग्राफीन π-बँडसाठी 1.7 ± 0.3 ps असल्याचे आढळले आहे. या शिखर सरकण्या दोन थरांच्या क्षणिक चार्जिंगचा पहिला पुरावा देतात, जिथे अतिरिक्त धन (ऋण) चार्ज इलेक्ट्रॉनिक स्थितींची बंधन ऊर्जा वाढवतो (कमी करतो). लक्षात घ्या की WS2 व्हॅलेन्स बँडचे वर सरकणे हे आकृती 1C मधील काळ्या चौकटीने चिन्हांकित केलेल्या भागातील प्रमुख पंप-प्रोब सिग्नलसाठी जबाबदार आहे.
पंप-प्रोब विलंबाच्या कार्यरूपानुसार WS2 व्हॅलेन्स बँड (A) आणि ग्राफीन π-बँड (B) च्या शिखर स्थितीतील बदल, घातांकीय फिट्ससह (जाड रेषा). (A) मधील WS2 शिफ्टचे आयुर्मान 1.2 ± 0.1 ps आहे. (B) मधील ग्राफीन शिफ्टचे आयुर्मान 1.7 ± 0.3 ps आहे.
पुढे, आम्ही आकृती 1C मधील रंगीत चौकटींनी दर्शविलेल्या क्षेत्रांवर पंप-प्रोब सिग्नल एकत्रित करतो आणि परिणामी गणना पंप-प्रोब विलंबाचे कार्य म्हणून आकृती 3 मध्ये प्लॉट करतो. आकृती 3 मधील वक्र 1, डेटाच्या एक्सपोनेंशियल फिटमधून प्राप्त झालेल्या 1.1 ± 0.1 ps च्या आयुर्मानासह WS2 थराच्या कंडक्शन बँडच्या तळाशी असलेल्या फोटोउत्तेजित वाहकांची गतिशीलता दर्शवितो (पूरक साहित्य पहा).
आकृती 1C मधील चौकटींनी दर्शविलेल्या क्षेत्रावर फोटोकरंटचे समाकलन करून मिळवलेले, विलंबाच्या कार्यरूपानुसार पंप-प्रोब आलेख. जाड रेषा डेटाचे घातांकीय फिट्स आहेत. वक्र (1) WS2 च्या कंडक्शन बँडमधील क्षणिक वाहक संख्या. वक्र (2) समतोल रासायनिक विभवाच्या वर ग्राफीनच्या π-बँडचा पंप-प्रोब सिग्नल. वक्र (3) समतोल रासायनिक विभवाच्या खाली ग्राफीनच्या π-बँडचा पंप-प्रोब सिग्नल. वक्र (4) WS2 च्या व्हॅलेन्स बँडमधील निव्वळ पंप-प्रोब सिग्नल. आयुर्मान (1) मध्ये 1.2 ± 0.1 ps, (2) मध्ये 180 ± 20 fs (लाभ) आणि ∼2 ps (हानी), आणि (3) मध्ये 1.8 ± 0.2 ps असल्याचे आढळले आहे.
आकृती ३ च्या वक्र २ आणि ३ मध्ये, आम्ही ग्राफीन π-बँडचा पंप-प्रोब सिग्नल दाखवला आहे. आम्हाला असे आढळले की, समतोल रासायनिक विभवाच्या वर इलेक्ट्रॉन मिळवण्याचे आयुष्य (आकृती ३ मधील वक्र २) हे समतोल रासायनिक विभवाच्या खाली इलेक्ट्रॉन गमावण्याच्या आयुष्यापेक्षा (आकृती ३ मधील वक्र ३ मध्ये १.८ ± ०.२ ps) खूपच कमी आहे. पुढे, आकृती ३ च्या वक्र २ मधील फोटोकरंटची सुरुवातीची वाढ t = ४०० fs वर ∼२ ps च्या आयुष्यासह नुकसानीत बदलते असे आढळले. आवरणरहित मोनोलेयर ग्राफीनच्या पंप-प्रोब सिग्नलमध्ये वाढ आणि नुकसान यांमधील विषमता अनुपस्थित असल्याचे आढळले आहे (पूरक सामग्रीमधील आकृती S5 पहा), जे सूचित करते की ही विषमता WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमधील आंतर-स्तरीय जोडणीचा परिणाम आहे. समतोल रासायनिक विभवाच्या वर आणि खाली अनुक्रमे अल्पकाळ टिकणारी वाढ आणि दीर्घकाळ टिकणारी घट यांचे निरीक्षण हे दर्शवते की, हेटेरोस्ट्रक्चरच्या फोटोउत्तेजनानंतर ग्राफीन थरातून इलेक्ट्रॉन कार्यक्षमतेने काढून टाकले जातात. परिणामी, ग्राफीन थर धनप्रभारित होतो, जे आकृती २ब मध्ये आढळलेल्या π-बँडच्या बंधन ऊर्जेतील वाढीशी सुसंगत आहे. π-बँडच्या खाली सरकण्यामुळे समतोल फर्मी-डिराक वितरणाची उच्च-ऊर्जा शेपटी समतोल रासायनिक विभवाच्या वरून नाहीशी होते, जे आकृती ३ च्या वक्र २ मधील पंप-प्रोब सिग्नलच्या चिन्हातील बदलाचे अंशतः स्पष्टीकरण देते. आम्ही खाली दाखवू की π-बँडमधील इलेक्ट्रॉनच्या क्षणिक हानीमुळे हा परिणाम आणखी वाढतो.
आकृती ३ च्या वक्र ४ मधील WS2 व्हॅलेन्स बँडच्या निव्वळ पंप-प्रोब सिग्नलमुळे या परिदृश्याला पुष्टी मिळते. हा डेटा आकृती १B मधील काळ्या चौकटीने दिलेल्या क्षेत्रावरील मोजणीचे एकत्रीकरण करून मिळवला गेला, जी चौकट सर्व पंप-प्रोब विलंबांवर व्हॅलेन्स बँडमधून प्रकाश-उत्सर्जित झालेल्या इलेक्ट्रॉन्सना दर्शवते. प्रायोगिक त्रुटीच्या मर्यादेत, आम्हाला कोणत्याही पंप-प्रोब विलंबासाठी WS2 च्या व्हॅलेन्स बँडमध्ये छिद्रांच्या (holes) अस्तित्वाचा कोणताही संकेत आढळला नाही. यावरून असे सूचित होते की, प्रकाश-उत्तेजनानंतर, ही छिद्रे आपल्या कालिक विभेदन क्षमतेच्या तुलनेत कमी कालावधीत वेगाने पुन्हा भरली जातात.
WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमधील अतिवेगवान चार्ज विभक्त होण्याच्या आमच्या गृहीतकाला अंतिम पुरावा देण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन थरावर हस्तांतरित झालेल्या होल्सची संख्या निश्चित करतो, ज्याचे तपशीलवार वर्णन पूरक सामग्रीमध्ये केले आहे. थोडक्यात, π-बँडच्या क्षणिक इलेक्ट्रॉनिक वितरणाला फर्मी-डिराक वितरणासह फिट केले गेले. त्यानंतर क्षणिक रासायनिक संभाव्यता आणि इलेक्ट्रॉनिक तापमानाच्या परिणामी मूल्यांवरून होल्सची संख्या मोजली गेली. निकाल आकृती ४ मध्ये दर्शविला आहे. आम्हाला आढळले की एकूण ∼५ × १०¹² होल्स/सेमी² हे WS2 मधून ग्राफीनमध्ये १.५ ± ०.२ पिकोसेकंदच्या घातांकीय आयुर्मानासह हस्तांतरित होतात.
पंप-प्रोब विलंबाच्या कार्य म्हणून π-बँडमधील छिद्रांच्या संख्येत होणारा बदल आणि घातांकीय फिट यावरून 1.5 ± 0.2 ps चे आयुष्यमान मिळते.
आकृती २ ते ४ मधील निष्कर्षांवरून, WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमधील अतिवेगवान चार्ज ट्रान्सफरचे खालील सूक्ष्म चित्र समोर येते (आकृती ५). २ eV वर WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरच्या फोटोएक्साइटेशनमुळे WS2 मधील A-एक्सायटन प्रामुख्याने भरला जातो (आकृती ५A). ग्राफीनमधील डिराक पॉईंटच्या पलीकडे तसेच WS2 आणि ग्राफीन बँड्स दरम्यान अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक एक्सायटेशन्स ऊर्जादृष्ट्या शक्य आहेत, परंतु त्या लक्षणीयरीत्या कमी कार्यक्षम आहेत. WS2 च्या व्हॅलेन्स बँडमधील फोटोएक्साइटेड होल्स, ग्राफीन π-बँडमधून येणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सद्वारे आपल्या टेम्पोरल रिझोल्यूशनच्या तुलनेत कमी वेळेत पुन्हा भरले जातात (आकृती ५A). WS2 च्या कंडक्शन बँडमधील फोटोएक्साइटेड इलेक्ट्रॉन्सचे आयुष्यमान ∼१ ps असते (आकृती ५B). तथापि, ग्राफीन π-बँडमधील होल्स पुन्हा भरण्यासाठी ∼२ ps लागतात (आकृती ५B). हे सूचित करते की, WS2 कंडक्शन बँड आणि ग्राफीन π-बँड यांच्यातील थेट इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणाव्यतिरिक्त, संपूर्ण गतिशीलता समजून घेण्यासाठी अतिरिक्त विश्रांती मार्गांचा—शक्यतो दोष स्थितींद्वारे (26)—विचार करणे आवश्यक आहे.
(अ) २ eV वरील WS2 A-एक्सायटनच्या अनुनादावर प्रकाश-उत्तेजनामुळे WS2 च्या वहन पट्टीत (कंडक्शन बँडमध्ये) इलेक्ट्रॉन अंतःक्षेपित होतात. WS2 च्या संयुजा पट्टीत (व्हॅलेन्स बँडमध्ये) असलेले संबंधित छिद्र (होल्स) ग्राफीन π-पट्टीतून येणाऱ्या इलेक्ट्रॉनद्वारे त्वरित पुन्हा भरले जातात. (ब) WS2 च्या वहन पट्टीत असलेल्या प्रकाश-उत्तेजित वाहकांचे (कॅरियर्सचे) आयुष्यमान ∼१ ps असते. ग्राफीन π-पट्टीत असलेली छिद्रे ∼२ ps टिकतात, जे तुटक बाणांनी दर्शविलेल्या अतिरिक्त प्रकीर्णन मार्गांचे (स्कॅटरिंग चॅनेल्सचे) महत्त्व दर्शवते. (अ) आणि (ब) मधील काळ्या तुटक रेषा पट्टीतील बदल (बँड शिफ्ट्स) आणि रासायनिक विभवातील (केमिकल पोटेन्शिअलमधील) बदल दर्शवतात. (क) क्षणिक अवस्थेत, WS2 चा थर ऋणभारित असतो, तर ग्राफीनचा थर धनभारित असतो. वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाने स्पिन-निवडक उत्तेजनासाठी, WS2 मधील प्रकाश-उत्तेजित इलेक्ट्रॉन आणि ग्राफीनमधील संबंधित छिद्रे विरुद्ध स्पिन ध्रुवीकरण दर्शवतील अशी अपेक्षा आहे.
क्षणिक अवस्थेत, प्रकाश-उत्तेजित इलेक्ट्रॉन WS2 च्या वहन पट्टीत (कंडक्शन बँड) असतात, तर प्रकाश-उत्तेजित छिद्रे (होल्स) ग्राफीनच्या π-पट्टीत स्थित असतात (आकृती 5C). याचा अर्थ असा की WS2 थर ऋणप्रभारित असतो आणि ग्राफीन थर धनप्रभारित असतो. यामुळे क्षणिक शिखर स्थानांतरण (आकृती 2), ग्राफीन पंप-प्रोब सिग्नलची असममितता (आकृती 3 मधील वक्र 2 आणि 3), WS2 च्या संयुजा पट्टीत छिद्रांची अनुपस्थिती (आकृती 3 मधील वक्र 4), तसेच ग्राफीनच्या π-पट्टीत अतिरिक्त छिद्रे (आकृती 4) दिसून येतात. या प्रभार-विभक्त अवस्थेचे आयुर्मान ∼1 ps आहे (आकृती 3 मधील वक्र 1).
टाइप II बँड अलाइनमेंट आणि स्टॅगर्ड बँडगॅप असलेल्या दोन डायरेक्ट-गॅप सेमीकंडक्टरपासून बनवलेल्या संबंधित व्हॅन डर वाल्स हेटेरोस्ट्रक्चर्समध्ये अशाच प्रकारच्या चार्ज-सेपरेटेड ट्रान्झिएंट स्टेट्सचे निरीक्षण केले गेले आहे (27–32). फोटोएक्साइटेशननंतर, इलेक्ट्रॉन आणि होल अनुक्रमे कंडक्शन बँडच्या तळाशी आणि व्हॅलेन्स बँडच्या शीर्षस्थानी वेगाने जातात असे आढळून आले, जे हेटेरोस्ट्रक्चरच्या वेगवेगळ्या थरांमध्ये स्थित आहेत (27–32).
आमच्या WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरच्या बाबतीत, इलेक्ट्रॉन आणि होल या दोघांसाठी ऊर्जादृष्ट्या सर्वात अनुकूल स्थान मेटॅलिक ग्राफीन थरातील फर्मी पातळीवर आहे. त्यामुळे, अशी अपेक्षा केली जाते की इलेक्ट्रॉन आणि होल दोन्ही वेगाने ग्राफीन π-बँडमध्ये स्थानांतरित होतील. तथापि, आमची मोजमापे स्पष्टपणे दर्शवतात की होलचे स्थानांतरण (<200 fs) हे इलेक्ट्रॉनच्या स्थानांतरणापेक्षा (∼1 ps) खूपच अधिक कार्यक्षम आहे. आम्ही याचे श्रेय WS2 आणि ग्राफीन बँड्सच्या सापेक्ष ऊर्जावान संरेखनाला देतो, जसे की आकृती 1A मध्ये दर्शविले आहे, जे इलेक्ट्रॉनच्या स्थानांतरणाच्या तुलनेत होलच्या स्थानांतरणासाठी अधिक अंतिम अवस्था उपलब्ध करून देते, जसे की अलीकडेच (14, 15) यांनी अपेक्षित केले होते. सध्याच्या बाबतीत, ∼2 eV WS2 बँडगॅप गृहीत धरल्यास, ग्राफीन डिराक बिंदू आणि समतोल रासायनिक विभव हे अनुक्रमे WS2 बँडगॅपच्या मध्यापासून ∼0.5 आणि ∼0.2 eV वर स्थित आहेत, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन-होल समरूपता भंग पावते. आपल्याला असे आढळते की होल ट्रान्सफरसाठी उपलब्ध अंतिम अवस्थांची संख्या इलेक्ट्रॉन ट्रान्सफरपेक्षा सुमारे ६ पट जास्त आहे (पूरक साहित्य पहा), म्हणूनच होल ट्रान्सफर इलेक्ट्रॉन ट्रान्सफरपेक्षा वेगवान असण्याची अपेक्षा आहे.
तथापि, निरीक्षित अतिवेगवान असममित चार्ज ट्रान्सफरचे संपूर्ण सूक्ष्म चित्र मिळवण्यासाठी, WS2 मधील A-एक्सायटन वेव्ह फंक्शन आणि ग्राफीन π-बँड तयार करणाऱ्या ऑर्बिटल्समधील ओव्हरलॅप, संवेग, ऊर्जा, स्पिन आणि स्यूडोस्पिन संवर्धनामुळे लादलेल्या मर्यादांसह विविध इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन-फोनॉन स्कॅटरिंग चॅनेल्स, प्लाझ्मा ऑसिलेशन्सचा प्रभाव (33), तसेच चार्ज ट्रान्सफरमध्ये मध्यस्थी करू शकणाऱ्या कोहेरेंट फोनॉन ऑसिलेशन्सच्या संभाव्य डिस्प्लेसिव्ह एक्सायटेशनची भूमिका (34, 35) यांचाही विचार केला पाहिजे. तसेच, निरीक्षित चार्ज ट्रान्सफर स्टेटमध्ये चार्ज ट्रान्सफर एक्सायटन्स आहेत की मुक्त इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या आहेत यावरही अनुमान लावले जाऊ शकते (पूरक साहित्य पहा). हे मुद्दे स्पष्ट करण्यासाठी या पेपरच्या व्याप्तीच्या पलीकडे जाणाऱ्या पुढील सैद्धांतिक तपासांची आवश्यकता आहे.
सारांशतः, आम्ही एपिटॅक्सियल WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमधील अतिवेगवान आंतरस्तरीय चार्ज हस्तांतरणाचा अभ्यास करण्यासाठी tr-ARPES चा वापर केला आहे. आम्हाला आढळले की, जेव्हा WS2 च्या A-एक्सायटनला 2 eV वर रेझोनन्सवर उत्तेजित केले जाते, तेव्हा फोटोउत्तेजित होल्स वेगाने ग्राफीनच्या थरात हस्तांतरित होतात, तर फोटोउत्तेजित इलेक्ट्रॉन्स WS2 च्या थरातच राहतात. आम्ही याचे श्रेय या वस्तुस्थितीला दिले की, होल हस्तांतरणासाठी उपलब्ध अंतिम अवस्थांची संख्या इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणापेक्षा जास्त आहे. चार्ज-विभक्त क्षणिक अवस्थेचे आयुष्यमान ∼1 ps असल्याचे आढळले. वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाचा वापर करून स्पिन-निवडक ऑप्टिकल उत्तेजनासह (22–25), निरीक्षित अतिवेगवान चार्ज हस्तांतरणासोबत स्पिन हस्तांतरण देखील होऊ शकते. या प्रकरणात, तपासलेल्या WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरचा उपयोग ग्राफीनमध्ये कार्यक्षम ऑप्टिकल स्पिन इंजेक्शनसाठी केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे नवीन ऑप्टोस्पिनट्रॉनिक उपकरणे तयार होतील.
ग्राफीनचे नमुने SiCrystal GmbH च्या व्यावसायिक सेमीकंडक्टिंग 6H-SiC(0001) वेफर्सवर वाढवण्यात आले. N-डोप केलेले वेफर्स 0.5° पेक्षा कमी मिसकटसह ऑन-अॅक्सिस होते. ओरखडे काढून टाकण्यासाठी आणि नियमित सपाट टेरेसेस मिळवण्यासाठी SiC सबस्ट्रेटचे हायड्रोजन-एचिंग करण्यात आले. त्यानंतर स्वच्छ आणि अणू-सपाट Si-टर्मिनेटेड पृष्ठभागाचे ग्राफिटायझेशन करण्यासाठी, नमुन्याला Ar वातावरणात 1300°C तापमानावर 8 मिनिटांसाठी ॲनीलिंग करण्यात आले (36). अशाप्रकारे, आम्हाला एक कार्बन थर मिळाला, जिथे प्रत्येक तिसऱ्या कार्बन अणूने SiC सबस्ट्रेटशी सहसंयुजी बंध तयार केला होता (37). त्यानंतर हायड्रोजन इंटरकॅलेशनद्वारे या थराचे पूर्णपणे sp2-हायब्रिडाइज्ड अर्ध-मुक्त होल-डोप केलेल्या ग्राफीनमध्ये रूपांतर करण्यात आले (38). या नमुन्यांना ग्राफीन/H-SiC(0001) असे संबोधले जाते. ही संपूर्ण प्रक्रिया Aixtron च्या व्यावसायिक ब्लॅक मॅजिक ग्रोथ चेंबरमध्ये पार पाडण्यात आली. WS2 ची वाढ एका मानक हॉट-वॉल रिॲक्टरमध्ये कमी-दाबाच्या रासायनिक बाष्प निक्षेपणाद्वारे (39, 40) केली गेली, ज्यामध्ये WO3 आणि S पावडर 1:100 च्या वस्तुमान गुणोत्तराने पूर्वगामी म्हणून वापरण्यात आल्या. WO3 आणि S पावडर अनुक्रमे 900 आणि 200°C तापमानावर ठेवण्यात आल्या. WO3 पावडर सब्सट्रेटच्या जवळ ठेवण्यात आली होती. आर्गॉन वायू वाहक वायू म्हणून 8 sccm च्या प्रवाहाने वापरण्यात आला. रिॲक्टरमधील दाब 0.5 mbar ठेवण्यात आला होता. नमुन्यांचे वैशिष्ट्यीकरण दुय्यम इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी, ॲटोमिक फोर्स मायक्रोस्कोपी, रमन आणि फोटोल्युमिनेसन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी, तसेच कमी-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तनाद्वारे करण्यात आले. या मापनांमधून दोन भिन्न WS2 एकल-स्फटिकीय डोमेन्स उघड झाले, जिथे एकतर ΓK- किंवा ΓK'-दिशा ग्राफीन थराच्या ΓK-दिशेशी संरेखित आहे. डोमेनच्या बाजूंची लांबी 300 ते 700 nm दरम्यान बदलत होती आणि एकूण WS2 आच्छादन अंदाजे ∼40% होते, जे ARPES विश्लेषणासाठी योग्य होते.
इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा आणि संवेग यांच्या द्विमितीय शोधनासाठी चार्ज-कपल्ड डिव्हाइस-डिटेक्टर प्रणाली वापरून, एका अर्धगोलाकार विश्लेषकाद्वारे (SPECS PHOIBOS 150) स्थिर ARPES प्रयोग करण्यात आले. सर्व फोटोउत्सर्जन प्रयोगांसाठी उच्च-प्रवाह हीलियम डिस्चार्ज स्रोताच्या (VG Scienta VUV5000) अध्रुवीकृत, एकवर्णी हीलियम Iα प्रारणाचा (21.2 eV) वापर करण्यात आला. आमच्या प्रयोगांमधील ऊर्जा आणि कोनीय विभेदन अनुक्रमे 30 meV आणि 0.3° (जे 0.01 Å−1 च्या समतुल्य आहे) पेक्षा चांगले होते. सर्व प्रयोग खोलीच्या तापमानावर करण्यात आले. ARPES हे एक अत्यंत पृष्ठभाग-संवेदनशील तंत्र आहे. WS2 आणि ग्राफीन या दोन्ही थरांमधून फोटोइलेक्ट्रॉन बाहेर काढण्यासाठी, सुमारे 40% अपूर्ण WS2 आच्छादन असलेले नमुने वापरण्यात आले.
tr-ARPES सेटअप १-kHz टायटॅनियम:सफायर अँप्लिफायरवर (कोहेरेंट लेजेंड एलिट ड्युओ) आधारित होता. आर्गॉनमध्ये उच्च हार्मोनिक्स निर्मितीसाठी २ mJ आउटपुट पॉवर वापरली गेली. परिणामी अतिनील प्रकाश एका ग्रेटिंग मोनोक्रोमेटरमधून गेला, ज्यामुळे २६-eV फोटॉन ऊर्जेवर १००-fs प्रोब पल्सेस तयार झाले. अँप्लिफायरची ८ mJ आउटपुट पॉवर एका ऑप्टिकल पॅरामेट्रिक अँप्लिफायरमध्ये (लाइट कन्व्हर्जनचे HE-TOPAS) पाठवली गेली. २-eV पंप पल्सेस मिळवण्यासाठी १-eV फोटॉन ऊर्जेवरील सिग्नल बीमची बीटा बेरियम बोरेट क्रिस्टलमध्ये फ्रिक्वेन्सी-डबल केली गेली. tr-ARPES मापन एका हेमिस्फेरिकल ॲनालायझरने (SPECS PHOIBOS 100) केले गेले. एकूण ऊर्जा आणि कालिक रिझोल्यूशन अनुक्रमे २४० meV आणि २०० fs होते.
या लेखासाठी पूरक साहित्य http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 येथे उपलब्ध आहे.
हा एक मुक्त-प्रवेश लेख आहे जो क्रिएटिव्ह कॉमन्स ॲट्रिब्युशन-नॉन-कमर्शियल परवान्याच्या अटींनुसार वितरित केला जातो, जो कोणत्याही माध्यमात वापर, वितरण आणि पुनरुत्पादनास परवानगी देतो, जोपर्यंत परिणामी वापर व्यावसायिक फायद्यासाठी नाही आणि मूळ कामाचा योग्यरित्या संदर्भ दिला जातो.
टीप: आम्ही तुमचा ईमेल पत्ता फक्त यासाठी मागतो, जेणेकरून तुम्ही ज्या व्यक्तीला हे पेज सुचवत आहात, त्यांना कळावे की तुम्ही त्यांना हे पेज दाखवावे अशी इच्छा व्यक्त केली होती आणि हा जंक मेल नाही. आम्ही कोणताही ईमेल पत्ता नोंदवून घेत नाही.
हा प्रश्न तुम्ही मानवी अभ्यागत आहात की नाही हे तपासण्यासाठी आणि स्वयंचलित स्पॅम सबमिशन रोखण्यासाठी आहे.
स्वेन एस्क्लिमन, अँटोनियो रॉसी, मारियाना चावेझ-सर्व्हान्टेस, रझवान क्रौस, बेनिटो अर्नोल्डी, बेंजामिन स्टॅडम्युलर, मार्टिन एस्क्लिमन, स्टिव्हन फोर्टी, फिलिपो फॅब्री, कॅमिला कोलेटी, इसाबेला गियर्स यांनी
आम्ही WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमध्ये अत्यंत वेगवान चार्ज विलगीकरण उघड करत आहोत, जे शक्यतो ग्राफीनमध्ये ऑप्टिकल स्पिन इंजेक्शनला सक्षम करते.
स्वेन एस्क्लिमन, अँटोनियो रॉसी, मारियाना चावेझ-सर्व्हान्टेस, रझवान क्रौस, बेनिटो अर्नोल्डी, बेंजामिन स्टॅडम्युलर, मार्टिन एस्क्लिमन, स्टिव्हन फोर्टी, फिलिपो फॅब्री, कॅमिला कोलेटी, इसाबेला गियर्स यांनी
आम्ही WS2/ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चरमध्ये अत्यंत वेगवान चार्ज विलगीकरण उघड करत आहोत, जे शक्यतो ग्राफीनमध्ये ऑप्टिकल स्पिन इंजेक्शनला सक्षम करते.
© 2020 अमेरिकन असोसिएशन फॉर द ॲडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स. सर्व हक्क राखीव. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef आणि COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 चे भागीदार आहे.
पोस्ट करण्याची वेळ: २५ मे २०२०