ايپيٽيڪسيل WS2/گرافين هيٽرو اسٽريچرز ۾ موثر الٽرا فاسٽ چارج سيپريشن لاءِ سڌو ثبوت

اسان وقت ۽ زاويه سان حل ٿيل فوٽو ايميشن اسپيڪٽرو اسڪوپي (tr-ARPES) استعمال ڪندا آهيون ته جيئن مونوليئر WS2 ۽ گرافين مان ٺهيل هڪ ايپيٽيڪسيل هيٽرو اسٽريچر ۾ الٽرا فاسٽ چارج ٽرانسفر جي جاچ ڪري سگهون. هي هيٽرو اسٽريچر هڪ سڌي-گپ سيمي ڪنڊڪٽر جي فائدن کي مضبوط اسپن-مرڪز ڪپلنگ ۽ مضبوط روشني-مٽر رابطي سان گڏ ڪري ٿو جيڪو هڪ سيمي ميٽل هوسٽنگ ماس ليس ڪيريئرز سان انتهائي تيز متحرڪ ۽ ڊگهي اسپن لائف ٽائيم سان. اسان ڏسون ٿا ته، WS2 ۾ A-ايڪسائيٽن جي گونج تي فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ، فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ تيزيءَ سان گرافين پرت ۾ منتقل ٿين ٿا جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران WS2 پرت ۾ رهن ٿا. نتيجي ۾ چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالت جي زندگي ~1 ps ملي ٿي. اسان پنهنجي نتيجن کي WS2 ۽ گرافين بينڊ جي نسبتي ترتيب جي ڪري اسڪيٽرنگ فيز اسپيس ۾ فرق سان منسوب ڪريون ٿا جيئن ته هاءِ ريزوليوشن ARPES پاران ظاهر ڪيو ويو آهي. اسپن-چونڊيل آپٽيڪل ايڪسائيٽيشن سان گڏ، تحقيق ٿيل WS2/گرافين هيٽرو اسٽريچر گرافين ۾ موثر آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ هڪ پليٽ فارم فراهم ڪري سگهي ٿو.

ڪيترن ئي مختلف ٻہ طرفي مواد جي دستيابي نئين آخرڪار پتلي هيٽرو اسٽريچر ٺاهڻ جي امڪان کي کوليو آهي جنهن ۾ مڪمل طور تي نئين ڪارڪردگي سان ٺهيل ڊائي اليڪٽرڪ اسڪريننگ ۽ مختلف قربت-حوصلہ افزائي اثرات (1-3) تي ٻڌل آهي. اليڪٽرانڪس ۽ آپٽو اليڪٽرانڪس جي ميدان ۾ مستقبل جي ايپليڪيشنن لاءِ اصول جي ثبوت جا آلات حاصل ڪيا ويا آهن (4-6).

هتي، اسان ايپيٽيڪسيل وان ڊير والز هيٽرو اسٽرڪچرز تي ڌيان ڏيون ٿا جيڪي مونوليئر WS2 تي مشتمل آهن، هڪ سڌو-گپ سيمي ڪنڊڪٽر جنهن ۾ مضبوط اسپن-آربٽ ڪپلنگ ۽ ٽوٽل انورسيشن سميٽري (7) جي ڪري بينڊ ڍانچي جو هڪ وڏو اسپن اسپلٽنگ، ۽ مونوليئر گرافين، هڪ نيم ڌاتو مخروطي بينڊ ڍانچي ۽ انتهائي اعليٰ ڪيريئر موبلٽي (8) سان، هائيڊروجن-ٽرمينيٽڊ SiC(0001) تي وڌايل. الٽرا فاسٽ چارج ٽرانسفر (9-15) ۽ پروڪسميٽي-انڊيوسڊ اسپن-آربٽ ڪپلنگ اثرات (16-18) لاءِ پهرين اشارا WS2/گرافين ۽ ساڳيا هيٽرو اسٽرڪچرز کي مستقبل جي آپٽو اليڪٽرانڪ (19) ۽ آپٽو اسپنٽرونڪ (20) ايپليڪيشنن لاءِ اميدوار بڻائين ٿا.

اسان WS2/گرافين ۾ وقت ۽ زاويه حل ٿيل فوٽو ايميشن اسپيڪٽرو اسڪوپي (tr-ARPES) سان فوٽو جنريٽ ٿيل اليڪٽران-هول جوڙن جي آرام جي رستن کي ظاهر ڪرڻ لاءِ نڪتا آهيون. انهي مقصد لاءِ، اسان WS2 (21، 12) ۾ A-ايڪسائيٽن جي گونج سان 2-eV پمپ پلس سان هيٽرو اسٽريچر کي ايڪسائيٽ ڪريون ٿا ۽ 26-eV فوٽون توانائي تي ٻئي وقت دير سان پروب پلس سان فوٽو اليڪٽران کي خارج ڪريون ٿا. اسان پمپ-پروب دير جي ڪم جي طور تي هڪ هيميسفيريڪل اينالائيزر سان فوٽو اليڪٽران جي حرڪي توانائي ۽ اخراج جي زاويه کي طئي ڪريون ٿا ته جيئن رفتار، توانائي، ۽ وقت حل ٿيل ڪيريئر ڊائنامڪس تائين رسائي حاصل ڪري سگهجي. توانائي ۽ وقت جي ريزوليوشن ترتيب وار 240 meV ۽ 200 fs آهي.

اسان جا نتيجا ايپيٽيڪسيلي ترتيب ڏنل پرتن جي وچ ۾ الٽرا فاسٽ چارج ٽرانسفر لاءِ سڌو ثبوت فراهم ڪن ٿا، پهرين اشارن جي تصديق ڪن ٿا آل آپٽيڪل ٽيڪنڪ جي بنياد تي ساڳي دستي طور تي گڏ ڪيل هيٽرو اسٽرڪچرز ۾ پرتن جي من ماني ايزيموٿل ترتيب سان (9-15). ان کان علاوه، اسان ڏيکاريون ٿا ته هي چارج ٽرانسفر انتهائي غير متناسب آهي. اسان جون ماپون هڪ اڳ ۾ غير مشاهدو ٿيل چارج-الڳ ٿيل عارضي حالت کي ظاهر ڪن ٿيون فوٽو ايڪسائيٽيڊ اليڪٽران ۽ سوراخ WS2 ۽ گرافين پرت ۾ واقع آهن، ترتيب وار، جيڪو ~1 ps لاءِ رهي ٿو. اسان پنهنجي نتيجن کي اليڪٽران ۽ سوراخ جي منتقلي لاءِ اسڪيٽرنگ فيز اسپيس ۾ فرق جي لحاظ کان تشريح ڪريون ٿا جيڪو WS2 ۽ گرافين بينڊ جي نسبتي ترتيب جي ڪري پيدا ٿئي ٿو جيئن ته اعليٰ ريزوليوشن ARPES پاران ظاهر ڪيو ويو آهي. اسپن- ۽ وادي-چونڊيل آپٽيڪل ايڪسائيٽيشن (22-25) سان گڏ WS2/گرافين هيٽرو اسٽرڪچر گرافين ۾ موثر الٽرا فاسٽ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ هڪ نئون پليٽ فارم مهيا ڪري سگھن ٿا.

شڪل 1A هڪ اعليٰ ريزوليوشن ARPES ماپ ڏيکاري ٿي جيڪا هيليم ليمپ سان حاصل ڪئي وئي آهي جيڪا بينڊ جي جوڙجڪ جي ΓK-ڊائريڪشن سان گڏ ايپيٽڪسيل WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر جي. ڊيراڪ ڪون کي سوراخ سان ڊوپ ڪيو ويو آهي جنهن ۾ ڊيراڪ پوائنٽ توازن ڪيميائي صلاحيت کان ~0.3 eV مٿي واقع آهي. اسپن-اسپلٽ WS2 ويلنس بينڊ جو مٿو توازن ڪيميائي صلاحيت کان ~1.2 eV هيٺ مليو آهي.

(الف) هڪ غير پولرائزڊ هيليم ليمپ سان ΓK-ڊائريڪشن سان ماپيل توازن فوٽوڪرنٽ. (ب) 26-eV فوٽون توانائي تي p-پولرائزڊ انتهائي الٽراوائليٽ دال سان ماپيل منفي پمپ-پروب دير لاءِ فوٽوڪرنٽ. ڊيش ٿيل گرين ۽ ڳاڙهي لائينون شڪل 2 ۾ عارضي چوٽي جي پوزيشن کي ڪڍڻ لاءِ استعمال ٿيندڙ لائن پروفائلز جي پوزيشن کي نشانو بڻائين ٿيون. (ج) 2 eV جي پمپ فوٽون توانائي تي 2 mJ/cm2 جي پمپ فلوئنس سان فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ فوٽوڪرنٽ 200 fs جي پمپ-حوصلہ افزائي تبديليون. فوٽو اليڪٽران جو فائدو ۽ نقصان ترتيب وار ڳاڙهي ۽ نيري رنگ ۾ ڏيکاريو ويو آهي. باڪس شڪل 3 ۾ ڏيکاريل پمپ-پروب ٽريس لاءِ انضمام جي علائقي کي ظاهر ڪن ٿا.

شڪل 1B WS2 ۽ گرافين K-پوائنٽس جي ويجهو بينڊ جي جوڙجڪ جو هڪ tr-ARPES سنيپ شاٽ ڏيکاري ٿو جيڪو پمپ پلس جي اچڻ کان اڳ منفي پمپ-پروب ڊيلي تي 26-eV فوٽون توانائي تي 100-fs انتهائي الٽراوائليٽ پلس سان ماپيو ويو آهي. هتي، نموني جي خرابي ۽ 2-eV پمپ پلس جي موجودگي جي ڪري اسپن اسپلٽنگ حل نه ٿي آهي جيڪا اسپيڪٽرل خاصيتن جي خلائي چارج کي وسيع ڪرڻ جو سبب بڻجندي آهي. شڪل 1C 200 fs جي پمپ-پروب ڊيلي تي تصوير 1B جي حوالي سان فوٽو ڪرنٽ جي پمپ-حوصلہ افزائي تبديلين کي ڏيکاري ٿو جتي پمپ-پروب سگنل پنهنجي وڌ ۾ وڌ تائين پهچي ٿو. ڳاڙهو ۽ نيرو رنگ ترتيب وار فوٽو اليڪٽران جي حاصلات ۽ نقصان جي نشاندهي ڪن ٿا.

هن امير حرڪت جو وڌيڪ تفصيل سان تجزيو ڪرڻ لاءِ، اسان پهريان WS2 ويلنس بينڊ ۽ گرافين π-بينڊ جي عارضي چوٽي جي پوزيشن کي شڪل 1B ۾ ڊيش ٿيل لائينن سان طئي ڪريون ٿا جيئن ضمني مواد ۾ تفصيل سان بيان ڪيو ويو آهي. اسان ڏسون ٿا ته WS2 ويلنس بينڊ 90 meV (شڪل 2A) کان مٿي شفٽ ٿئي ٿو ۽ گرافين π-بينڊ 50 meV (شڪل 2B) کان هيٺ شفٽ ٿئي ٿو. انهن شفٽن جي ايڪسپونيشل لائف ٽائيم WS2 جي ويلنس بينڊ لاءِ 1.2 ± 0.1 ps ۽ گرافين π-بينڊ لاءِ 1.7 ± 0.3 ps ملي ٿو. اهي چوٽي جي شفٽون ٻن پرتن جي عارضي چارجنگ جو پهريون ثبوت فراهم ڪن ٿيون، جتي اضافي مثبت (منفي) چارج اليڪٽرانڪ رياستن جي پابند توانائي کي وڌائي ٿو (گهٽائي ٿو). نوٽ ڪريو ته WS2 ويلنس بينڊ جي اپ شفٽ شڪل 1C ۾ بليڪ باڪس پاران نشان لڳل علائقي ۾ نمايان پمپ-پروب سگنل لاءِ ذميوار آهي.

پمپ-پروب دير جي ڪم جي طور تي WS2 ويلنس بينڊ (A) ۽ گرافين π-بينڊ (B) جي چوٽي پوزيشن ۾ تبديلي ايڪسپونينشل فٽ (ٿلهي لائينون) سان گڏ. WS2 شفٽ ان (A) جي زندگي 1.2 ± 0.1 ps آهي. گرافين شفٽ ان (B) جي زندگي 1.7 ± 0.3 ps آهي.

اڳيون، اسان پمپ-پروب سگنل کي شڪل 1C ۾ رنگين دٻن پاران ظاهر ڪيل علائقن تي ضم ڪريون ٿا ۽ شڪل 3 ۾ پمپ-پروب دير جي فنڪشن جي طور تي نتيجي ۾ ڳڻپ کي پلاٽ ڪريون ٿا. شڪل 3 ۾ وکر 1 WS2 پرت جي ڪنڊڪشن بينڊ جي تري ۾ ويجهو فوٽو ايڪسائيٽيڊ ڪيريئرز جي حرڪت کي ڏيکاري ٿو جنهن جي زندگي 1.1 ± 0.1 ps آهي جيڪا ڊيٽا جي ايڪسپونشنل فٽ مان حاصل ڪئي وئي آهي (اضافي مواد ڏسو).

پمپ-پروب دير جي ڪم جي طور تي نشان لڳائي ٿو جيڪو تصوير 1C ۾ دٻن پاران ظاهر ڪيل علائقي تي فوٽو ڪرنٽ کي ضم ڪرڻ سان حاصل ڪيو ويو آهي. ٿلهيون لائينون ڊيٽا سان ايڪسپونينشنل فِٽ آهن. وکر (1) WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ عارضي ڪيريئر آبادي. وکر (2) متوازن ڪيميائي صلاحيت کان مٿي گرافين جي π-بينڊ جو پمپ-پروب سگنل. وکر (3) متوازن ڪيميائي صلاحيت کان هيٺ گرافين جي π-بينڊ جو پمپ-پروب سگنل. وکر (4) WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ نيٽ پمپ-پروب سگنل. زندگي جي مدت 1.2 ± 0.1 ps in (1)، 180 ± 20 fs (حاصل) ۽ ∼2 ps (نقصان) in (2)، ۽ 1.8 ± 0.2 ps in (3) ملي ٿي.

شڪل 3 جي وکر 2 ۽ 3 ۾، اسان گرافين π-بينڊ جو پمپ-پروب سگنل ڏيکاريون ٿا. اسان ڏسون ٿا ته توازن ڪيميائي صلاحيت (شڪل 3 ۾ وکر 2) کان مٿي اليڪٽرانن جي حاصلات جو حياتياتي نقصان تمام گهٽ آهي (180 ± 20 fs) توازن ڪيميائي صلاحيت (وکر 3 شڪل 3 ۾ 1.8 ± 0.2 ps) کان هيٺ اليڪٽرانن جي نقصان جي مقابلي ۾. وڌيڪ، شڪل 3 جي وکر 2 ۾ فوٽو ڪرنٽ جو شروعاتي فائدو t = 400 fs تي نقصان ۾ تبديل ٿيڻ لاءِ مليو آهي جنهن جي زندگي ~2 ps آهي. اڻ کليل مونوليئر گرافين جي پمپ-پروب سگنل ۾ حاصل ۽ نقصان جي وچ ۾ عدم توازن غير حاضر مليو آهي (اضافي مواد ۾ شڪل S5 ڏسو)، اهو ظاهر ڪري ٿو ته عدم توازن WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ انٽرليئر ڪوپلنگ جو نتيجو آهي. توازن ڪيميائي صلاحيت جي مٿان ۽ هيٺان هڪ مختصر مدت جي حاصلات ۽ ڊگهي عرصي واري نقصان جو مشاهدو، ترتيب وار، اهو ظاهر ڪري ٿو ته هيٽرو اسٽريچر جي فوٽو ايڪسائيٽيشن تي اليڪٽران گرافين پرت مان موثر طريقي سان هٽايا ويندا آهن. نتيجي طور، گرافين پرت مثبت طور تي چارج ٿي ويندي آهي، جيڪا شڪل 2B ۾ مليل π-بينڊ جي پابند توانائي ۾ واڌ سان مطابقت رکي ٿي. π-بينڊ جي ڊائون شفٽ توازن ڪيميائي صلاحيت جي مٿان کان توازن فرمي-ڊيراڪ تقسيم جي اعلي توانائي واري دم کي هٽائي ٿي، جيڪا جزوي طور تي شڪل 3 جي وکر 2 ۾ پمپ-پروب سگنل جي نشاني جي تبديلي جي وضاحت ڪري ٿي. اسان هيٺ ڏيکارينداسين ته هي اثر π-بينڊ ۾ اليڪٽران جي عارضي نقصان سان وڌيڪ وڌايو ويو آهي.

هي منظرنامو شڪل 3 جي وکر 4 ۾ WS2 ويلنس بينڊ جي نيٽ پمپ-پروب سگنل جي حمايت ڪري ٿو. اهي ڊيٽا شڪل 1B ۾ بليڪ باڪس پاران ڏنل علائقي تي ڳڻپ کي ضم ڪندي حاصل ڪيا ويا آهن جيڪي سڀني پمپ-پروب دير تي ويلنس بينڊ مان فوٽو خارج ٿيل اليڪٽران کي پڪڙيندا آهن. تجرباتي غلطي بارن اندر، اسان کي ڪنهن به پمپ-پروب دير لاءِ WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ سوراخن جي موجودگي لاءِ ڪو به اشارو نه ملندو آهي. اهو ظاهر ڪري ٿو ته، فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ، اهي سوراخ اسان جي عارضي ريزوليوشن جي مقابلي ۾ مختصر وقت جي پيماني تي تيزيءَ سان ٻيهر ڀرجي ويندا آهن.

WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ الٽرا فاسٽ چارج سيپريشن جي اسان جي مفروضي لاءِ آخري ثبوت فراهم ڪرڻ لاءِ، اسان گرافين پرت ڏانهن منتقل ٿيل سوراخن جو تعداد طئي ڪريون ٿا جيئن ضمني مواد ۾ تفصيل سان بيان ڪيو ويو آهي. مختصر ۾، π-بينڊ جي عارضي اليڪٽرانڪ ورڇ کي فرمي-ڊيراڪ ورڇ سان لڳايو ويو هو. پوءِ سوراخن جو تعداد عارضي ڪيميائي صلاحيت ۽ اليڪٽرانڪ گرمي پد لاءِ نتيجي ۾ مليل قدرن مان ڳڻيو ويو. نتيجو شڪل 4 ۾ ڏيکاريو ويو آهي. اسان ڏسون ٿا ته ~5 × 1012 سوراخ/cm2 جو ڪل تعداد WS2 کان گرافين ڏانهن 1.5 ± 0.2 ps جي ايڪسپونينشل لائف ٽائيم سان منتقل ڪيو ويو آهي.

پمپ-پروب دير جي ڪم جي طور تي π-بينڊ ۾ سوراخن جي تعداد ۾ تبديلي، ايڪسپونشنل فٽ سان گڏ 1.5 ± 0.2 ps جي زندگي گذاري ٿو.

شڪل 2 کان 4 ۾ ڏنل نتيجن مان، WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ الٽرا فاسٽ چارج ٽرانسفر لاءِ هيٺ ڏنل خوردبيني تصوير سامهون اچي ٿي (شڪل 5). 2 eV تي WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر جو فوٽو ايڪسائيٽيشن غالباً WS2 ۾ A-ايڪسائيٽن کي آباد ڪري ٿو (شڪل 5A). گرافين ۾ ڊيراڪ پوائنٽ تي اضافي اليڪٽرانڪ ايڪسائيٽيشن ۽ WS2 ۽ گرافين بينڊ جي وچ ۾ توانائي جي لحاظ کان ممڪن آهن پر ڪافي گهٽ ڪارآمد آهن. WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ اسان جي عارضي ريزوليوشن (شڪل 5A) جي مقابلي ۾ مختصر وقت جي پيماني تي گرافين π-بينڊ مان نڪرندڙ اليڪٽرانن سان ٻيهر ڀرجي ويندا آهن. WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽرانن جي زندگي ∼1 ps (شڪل 5B) آهي. بهرحال، گرافين π-بينڊ (شڪل 5B) ۾ سوراخن کي ٻيهر ڀرڻ لاءِ ∼2 ps لڳن ٿا. اهو ظاهر ڪري ٿو ته، WS2 ڪنڊڪشن بينڊ ۽ گرافين π-بينڊ جي وچ ۾ سڌي اليڪٽران جي منتقلي کان علاوه، اضافي آرام جا رستا - ممڪن طور تي خراب حالتن ذريعي (26) - مڪمل حرڪيات کي سمجهڻ لاءِ غور ڪرڻ جي ضرورت آهي.

(الف) 2 eV تي WS2 A-exciton جي گونج تي فوٽو ايڪسائيٽيشن WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ اليڪٽران داخل ڪري ٿو. WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ لاڳاپيل سوراخ گرافين π-بينڊ مان اليڪٽرانن ذريعي فوري طور تي ٻيهر ڀرجي ويندا آهن. (ب) WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ فوٽو ايڪسائيٽيڊ ڪيريئرز جي زندگي ~1 ps آهي. گرافين π-بينڊ ۾ سوراخ ~2 ps لاءِ رهن ٿا، جيڪو ڊيش ٿيل تيرن پاران ظاهر ڪيل اضافي اسڪيٽرنگ چينلز جي اهميت کي ظاهر ڪري ٿو. (A) ۽ (B) ۾ ڪارا ڊيش ٿيل لائينون بينڊ شفٽ ۽ ڪيميائي صلاحيت ۾ تبديلين کي ظاهر ڪن ٿيون. (ج) عارضي حالت ۾، WS2 پرت منفي طور تي چارج ٿيل آهي جڏهن ته گرافين پرت مثبت طور تي چارج ٿيل آهي. گول پولرائزڊ روشني سان اسپن-چونڊيل ايڪسائيٽيشن لاءِ، WS2 ۾ فوٽو ايڪسائيٽيڊ اليڪٽران ۽ گرافين ۾ لاڳاپيل سوراخ مخالف اسپن پولرائيزيشن ڏيکارڻ جي اميد رکن ٿا.

عارضي حالت ۾، فوٽو ايڪسائيٽيڊ اليڪٽران WS2 جي ڪنڊڪشن بينڊ ۾ رهن ٿا جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽيڊ سوراخ گرافين جي π-بينڊ ۾ واقع آهن (شڪل 5C). ان جو مطلب آهي ته WS2 پرت منفي طور تي چارج ٿيل آهي ۽ گرافين پرت مثبت طور تي چارج ٿيل آهي. اهو عارضي چوٽي جي شفٽن (شڪل 2)، گرافين پمپ-پروب سگنل جي غير متوازن (شڪل 3 جا وکر 2 ۽ 3)، WS2 جي ويلنس بينڊ ۾ سوراخن جي غير موجودگي (شڪل 4 شڪل 3)، انهي سان گڏ گرافين π-بينڊ ۾ اضافي سوراخ (شڪل 4) لاءِ حساب رکي ٿو. هن چارج کان الڳ ٿيل حالت جي زندگي ~1 ps آهي (وکر 1 شڪل 3).

ساڳئي چارج سان الڳ ٿيل عارضي حالتون لاڳاپيل وان ڊير والز هيٽروسٽرڪچرز ۾ ڏٺيون ويون آهن جيڪي ٻن سڌي-گيپ سيمي ڪنڊڪٽرز مان ٺهيل آهن جن ۾ قسم II بينڊ الائنمينٽ ۽ اسٽگرڊ بينڊ گيپ (27-32) شامل آهن. فوٽو ايڪسائيٽيشن کان پوءِ، اليڪٽران ۽ سوراخ تيزيءَ سان ڪنڊڪشن بينڊ جي تري ۾ ۽ ويلنس بينڊ جي چوٽيءَ تي منتقل ٿيندا ڏٺا ويا، جيڪي هيٽروسٽرڪچر جي مختلف تہن ۾ واقع آهن (27-32).

اسان جي WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر جي صورت ۾، اليڪٽران ۽ سوراخ ٻنهي لاءِ توانائي جي لحاظ کان سڀ کان وڌيڪ سازگار جڳهه ڌاتو گرافين پرت ۾ فرمي سطح تي آهي. تنهن ڪري، ڪو به توقع ڪري سگهي ٿو ته اليڪٽران ۽ سوراخ ٻئي تيزي سان گرافين π-بينڊ ڏانهن منتقل ٿين ٿا. بهرحال، اسان جي ماپ واضح طور تي ڏيکاري ٿي ته سوراخ جي منتقلي (<200 fs) اليڪٽران جي منتقلي (∼1 ps) کان گهڻو وڌيڪ ڪارآمد آهي. اسان ان کي WS2 ۽ گرافين بينڊ جي نسبتي توانائي واري ترتيب سان منسوب ڪريون ٿا جيئن شڪل 1A ۾ ظاهر ڪيو ويو آهي جيڪو اليڪٽران جي منتقلي جي مقابلي ۾ سوراخ جي منتقلي لاءِ موجود آخري حالتن جي هڪ وڏي تعداد پيش ڪري ٿو جيئن تازو (14، 15) پاران متوقع آهي. موجوده صورت ۾، هڪ ∼2 eV WS2 بينڊ گيپ کي فرض ڪندي، گرافين ڊيراڪ پوائنٽ ۽ توازن ڪيميائي صلاحيت WS2 بينڊ گيپ جي وچ کان مٿي ∼0.5 ۽ ∼0.2 eV تي واقع آهن، اليڪٽران-سوراخ جي هم آهنگي کي ٽوڙيندي. اسان ڏسون ٿا ته سوراخ جي منتقلي لاءِ موجود آخري حالتن جو تعداد اليڪٽران جي منتقلي جي ڀيٽ ۾ ~6 ڀيرا وڏو آهي (اضافي مواد ڏسو)، جنهن ڪري سوراخ جي منتقلي اليڪٽران جي منتقلي کان تيز ٿيڻ جي اميد آهي.

بهرحال، مشاهدو ڪيل الٽرا فاسٽ اسيميٽرڪ چارج ٽرانسفر جي هڪ مڪمل خوردبيني تصوير کي، WS2 ۾ A-ايڪسائيٽن ويو فنڪشن ۽ گرافين π-بينڊ کي ترتيب ڏيڻ واري مدار جي وچ ۾ اوورليپ تي پڻ غور ڪرڻ گهرجي، مختلف اليڪٽران-اليڪٽران ۽ اليڪٽران-فونون اسڪيٽرنگ چينلز جن ۾ مومينٽم، توانائي، اسپن، ۽ سيوڊوسپن ڪنزرويشن پاران لاڳو ڪيل پابنديون، پلازما اوسيليشنز جو اثر (33)، انهي سان گڏ ڪوهيئرنٽ فونون اوسيليشنز جي ممڪن بي ترتيب جوش جو ڪردار جيڪو چارج ٽرانسفر ۾ ثالثي ڪري سگهي ٿو (34، 35). ان کان علاوه، ڪو به اندازو لڳائي سگهي ٿو ته ڇا مشاهدو ڪيل چارج ٽرانسفر اسٽيٽ چارج ٽرانسفر ايڪسائيٽون يا مفت اليڪٽران-هول جوڙن تي مشتمل آهي (اضافي مواد ڏسو). وڌيڪ نظرياتي جاچ جيڪي موجوده پيپر جي دائري کان ٻاهر وڃن ٿيون انهن مسئلن کي واضح ڪرڻ لاءِ گهربل آهن.

خلاصو، اسان هڪ ايپيٽيڪسيل WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ الٽرا فاسٽ انٽرليئر چارج ٽرانسفر جو مطالعو ڪرڻ لاءِ tr-ARPES استعمال ڪيو آهي. اسان ڏٺو ته، جڏهن 2 eV تي WS2 جي A-ايڪسائيٽن جي گونج تي پرجوش ٿئي ٿو، ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل سوراخ تيزيءَ سان گرافين پرت ۾ منتقل ٿين ٿا جڏهن ته فوٽو ايڪسائيٽ ٿيل اليڪٽران WS2 پرت ۾ رهن ٿا. اسان ان کي ان حقيقت سان منسوب ڪيو ته سوراخ جي منتقلي لاءِ موجود آخري حالتن جو تعداد اليڪٽران جي منتقلي کان وڌيڪ آهي. چارج کان الڳ ٿيل عارضي حالت جي زندگي ~1 ps ملي وئي. سرڪلر پولرائزڊ لائيٽ (22-25) استعمال ڪندي اسپن-چونڊيل آپٽيڪل ايڪسائيٽيشن سان گڏ، مشاهدو ڪيل الٽرا فاسٽ چارج ٽرانسفر اسپن ٽرانسفر سان گڏ ٿي سگهي ٿو. هن صورت ۾، تحقيق ڪيل WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر کي گرافين ۾ موثر آپٽيڪل اسپن انجيڪشن لاءِ استعمال ڪري سگهجي ٿو جنهن جي نتيجي ۾ ناول آپٽوسپنٽرونڪ ڊوائيسز پيدا ٿين ٿا.

گرافين جا نمونا سي ڪرسٽل GmbH جي ڪمرشل سيمي ڪنڊڪٽنگ 6H-SiC(0001) ويفرز تي اُگايا ويا هئا. اين-ڊوپڊ ويفرز 0.5° کان گهٽ غلط ڪٽ سان محور تي هئا. سي سي سبسٽريٽ کي هائيڊروجن سان ايچ ڪيو ويو ته جيئن خراشون ختم ٿين ۽ باقاعده فليٽ ٽيراس حاصل ٿين. صاف ۽ ايٽمي طور تي فليٽ سي-ٽرمينيٽ ٿيل مٿاڇري کي پوءِ نموني کي آر فضا ۾ 1300°C تي 8 منٽن لاءِ اينيل ڪندي گرافائيز ڪيو ويو (36). هن طريقي سان، اسان هڪ ڪاربن پرت حاصل ڪئي جتي هر ٽيون ڪاربن ايٽم SiC سبسٽريٽ (37) سان هڪ ڪوويلنٽ بانڊ ٺاهيندو هو. پوءِ هن پرت کي هائيڊروجن انٽرڪليشن (38) ذريعي مڪمل طور تي sp2-هائبرڊائزڊ ڪواسي فري اسٽينڊنگ هول-ڊوپڊ گرافين ۾ تبديل ڪيو ويو. انهن نمونن کي گرافين/H-SiC(0001) سڏيو ويندو آهي. سڄو عمل ايڪسٽرون جي هڪ ڪمرشل بليڪ ميجڪ گروٿ چيمبر ۾ ڪيو ويو. WS2 جي واڌ هڪ معياري گرم ڀت واري ري ايڪٽر ۾ گهٽ دٻاءُ واري ڪيميائي بخارات جي جمع (39، 40) ذريعي ڪئي وئي هئي جنهن ۾ WO3 ۽ S پائوڊر استعمال ڪيا ويا هئا جن جو ماس تناسب 1:100 اڳوڻن طور تي هو. WO3 ۽ S پائوڊر ترتيب وار 900 ۽ 200 ° C تي رکيا ويا هئا. WO3 پائوڊر کي سبسٽريٽ جي ويجهو رکيو ويو هو. آرگن کي 8 sccm جي وهڪري سان ڪيريئر گيس طور استعمال ڪيو ويو. ري ايڪٽر ۾ دٻاءُ 0.5 mbar تي رکيو ويو. نمونن کي ثانوي اليڪٽران مائڪروسڪوپي، ايٽمي فورس مائڪروسڪوپي، رامن، ۽ فوٽولومائنسينس اسپيڪٽرو اسڪوپي، انهي سان گڏ گهٽ توانائي واري اليڪٽران جي تفاوت سان منسوب ڪيو ويو. انهن ماپن ٻه مختلف WS2 سنگل-ڪرسٽل ڊومينز کي ظاهر ڪيو جتي يا ته ΓK- يا ΓK'- هدايت گرافين پرت جي ΓK- هدايت سان ترتيب ڏنل آهي. ڊومين جي پاسي جي ڊيگهه 300 ۽ 700 nm جي وچ ۾ مختلف هئي، ۽ ڪل WS2 ڪوريج تقريبن 40٪ جي لڳ ڀڳ هئي، جيڪا ARPES تجزيي لاءِ مناسب هئي.

جامد ARPES تجربا هڪ هيميسفيريڪل اينالائيزر (SPECS PHOIBOS 150) سان ڪيا ويا جيڪي اليڪٽران توانائي ۽ رفتار جي ٻہ طرفي سڃاڻپ لاءِ چارج-ڪپلڊ ڊيوائس-ڊيٽيڪٽر سسٽم استعمال ڪندا هئا. سڀني فوٽو ايميشن تجربن لاءِ هڪ هاءِ فلڪس He ڊسچارج سورس (VG Scienta VUV5000) جي غير پولرائزڊ، مونوڪروميٽڪ He Iα تابڪاري (21.2 eV) استعمال ڪئي وئي. اسان جي تجربن ۾ توانائي ۽ ڪوئلي ريزوليوشن ترتيب وار 30 meV ۽ 0.3° (0.01 Å−1 جي مطابق) کان بهتر هئا. سڀئي تجربا ڪمري جي حرارت تي ڪيا ويا. ARPES هڪ انتهائي سطحي حساس ٽيڪنڪ آهي. WS2 ۽ گرافين پرت ٻنهي مان فوٽو اليڪٽران کي ڪڍڻ لاءِ، ~40% جي نامڪمل WS2 ڪوريج سان نمونا استعمال ڪيا ويا.

tr-ARPES سيٽ اپ 1-kHz ٽائيٽينيم: سيفائر ايمپليفائر (ڪوهيرنٽ ليجنڊ ايلٽ ڊيو) تي ٻڌل هو. آرگن ۾ اعليٰ هارمونڪس جنريشن لاءِ 2 mJ آئوٽ پُٽ پاور استعمال ڪئي وئي. نتيجي ۾ نڪرندڙ انتهائي الٽراوائليٽ روشني هڪ گريٽنگ مونوڪروميٽر مان گذري جيڪا 26-eV فوٽون توانائي تي 100-fs پروب پلس پيدا ڪري ٿي. 8 mJ ايمپليفائر آئوٽ پُٽ پاور کي آپٽيڪل پيراميٽرڪ ايمپليفائر (لائيٽ ڪنورشن مان HE-TOPAS) ۾ موڪليو ويو. 1-eV فوٽون توانائي تي سگنل بيم کي بيٽا بيريم بوريٽ ڪرسٽل ۾ فريڪوئنسي ڊبل ڪيو ويو ته جيئن 2-eV پمپ پلس حاصل ڪري سگهجن. tr-ARPES ماپون هڪ هيمسفريڪل اينالائيزر (SPECS PHOIBOS 100) سان ڪيون ويون. مجموعي توانائي ۽ وقتي ريزوليوشن ترتيب وار 240 meV ۽ 200 fs هئي.

هن مضمون لاءِ اضافي مواد http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 تي موجود آهي.

هي هڪ کليل رسائي وارو مضمون آهي جيڪو ڪريٽو ڪامنز انتساب-غير تجارتي لائسنس جي شرطن تحت ورهايو ويو آهي، جيڪو ڪنهن به وچولي ۾ استعمال، تقسيم ۽ پيداوار جي اجازت ڏئي ٿو، جيستائين نتيجو استعمال تجارتي فائدي لاءِ نه هجي ۽ بشرطيڪ اصل ڪم جو صحيح حوالو ڏنو ويو هجي.

نوٽ: اسان صرف توهان جو اي ميل پتو گهريو ٿا ته جيئن جنهن شخص کي توهان صفحي جي سفارش ڪري رهيا آهيو اهو ڄاڻي ته توهان چاهيو ٿا ته اهي اهو ڏسن، ۽ اهو جنڪ ميل نه آهي. اسان ڪو به اي ميل پتو نه ٿا وٺون.

هي سوال جانچڻ لاءِ آهي ته توهان انساني مهمان آهيو يا نه ۽ خودڪار اسپام جمع ڪرائڻ کي روڪڻ لاءِ.

Sven Aeschlimann، Antonio Rossi، Mariana Chavez-Cervantes، Razvan Krause، Benito Arnoldi، Benjamin Stadtmüller، Martin Aeschlimann، Stiven Forti، Filippo Fabbri، Camilla Coletti، Isabella Gierz پاران.

اسان هڪ WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ الٽرا فاسٽ چارج سيپريشن کي ظاهر ڪريون ٿا جيڪو ممڪن طور تي گرافين ۾ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن کي فعال ڪري ٿو.

Sven Aeschlimann، Antonio Rossi، Mariana Chavez-Cervantes، Razvan Krause، Benito Arnoldi، Benjamin Stadtmüller، Martin Aeschlimann، Stiven Forti، Filippo Fabbri، Camilla Coletti، Isabella Gierz پاران.

اسان هڪ WS2/گرافين هيٽروسٽرڪچر ۾ الٽرا فاسٽ چارج سيپريشن کي ظاهر ڪريون ٿا جيڪو ممڪن طور تي گرافين ۾ آپٽيڪل اسپن انجيڪشن کي فعال ڪري ٿو.

© 2020 آمريڪي ايسوسيئيشن فار دي ايڊوانسمينٽ آف سائنس. سڀ حق محفوظ آهن. AAAS HINARI، AGORA، OARE، CHORUS، CLOCKSS، CrossRef ۽ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 جو شريڪ آھي.