ఏకపొర WS2 మరియు గ్రాఫేన్తో తయారు చేయబడిన ఒక ఎపిటాక్సియల్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో అతివేగవంతమైన చార్జ్ బదిలీని పరిశోధించడానికి మేము టైమ్- మరియు యాంగిల్-రిసాల్వ్డ్ ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)ని ఉపయోగిస్తాము. ఈ హెటెరోస్ట్రక్చర్, బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ మరియు బలమైన కాంతి-పదార్థ పరస్పర చర్య కలిగిన డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రయోజనాలను, అత్యంత అధిక మొబిలిటీ మరియు సుదీర్ఘ స్పిన్ లైఫ్టైమ్లతో ద్రవ్యరాశి లేని క్యారియర్లను కలిగి ఉన్న సెమీమెటల్ యొక్క ప్రయోజనాలతో మిళితం చేస్తుంది. WS2లోని A-ఎక్సైటాన్కు రెజోనెన్స్ వద్ద ఫోటోఎక్సైటేషన్ జరిగిన తర్వాత, ఫోటోఎక్సైటెడ్ హోల్స్ వేగంగా గ్రాఫేన్ పొరలోకి బదిలీ అవుతాయని, అయితే ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు WS2 పొరలోనే ఉంటాయని మేము కనుగొన్నాము. ఫలితంగా ఏర్పడిన చార్జ్-సెపరేటెడ్ ట్రాన్సియెంట్ స్టేట్ యొక్క లైఫ్టైమ్ ∼1 psగా ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది. హై-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడైనట్లుగా, WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్ల సాపేక్ష అమరిక వలన స్కాటరింగ్ ఫేస్ స్పేస్లో ఏర్పడిన తేడాల వల్లే మా పరిశోధన ఫలితాలు వచ్చాయని మేము భావిస్తున్నాము. స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్తో కలిపి, పరిశోధించబడిన ఈ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్, గ్రాఫేన్లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఒక వేదికను అందించగలదు.
అనేక విభిన్న ద్విమితీయ పదార్థాల లభ్యత, అనుకూలమైన డైఎలెక్ట్రిక్ స్క్రీనింగ్ మరియు వివిధ సామీప్య-ప్రేరిత ప్రభావాల ఆధారంగా పూర్తిగా కొత్త కార్యాచరణలతో నవల అత్యంత సన్నని హెటెరోస్ట్రక్చర్లను సృష్టించే అవకాశాన్ని తెరిచింది (1–3). ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు ఆప్టోఎలెక్ట్రానిక్స్ రంగంలో భవిష్యత్ అనువర్తనాల కోసం ప్రూఫ్-ఆఫ్-ప్రిన్సిపల్ పరికరాలు రూపొందించబడ్డాయి (4–6).
ఇక్కడ, మేము హైడ్రోజన్-టెర్మినేటెడ్ SiC(0001) పై పెంచబడిన ఎపిటాక్సియల్ వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లపై దృష్టి పెడతాము. వీటిలో బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ మరియు విరిగిన విలోమ సౌష్టవం (7) కారణంగా బ్యాండ్ నిర్మాణంలో గణనీయమైన స్పిన్ విభజన కలిగిన డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ అయిన మోనోలేయర్ WS2, మరియు శంఖాకార బ్యాండ్ నిర్మాణం మరియు అత్యంత అధిక క్యారియర్ మొబిలిటీ (8) కలిగిన సెమీమెటల్ అయిన మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ ఉన్నాయి. అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ (9–15) మరియు సామీప్య-ప్రేరిత స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ ప్రభావాల (16–18) కోసం మొదటి సూచనలు, WS2/గ్రాఫేన్ మరియు ఇలాంటి హెటెరోస్ట్రక్చర్లను భవిష్యత్ ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ (19) మరియు ఆప్టోస్పింట్రానిక్ (20) అనువర్తనాలకు ఆశాజనకమైన అభ్యర్థులుగా చేస్తాయి.
మేము టైమ్- మరియు యాంగిల్-రిసాల్వ్డ్ ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)తో WS2/గ్రాఫేన్లో ఫోటోజెనరేటెడ్ ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల రిలాక్సేషన్ మార్గాలను బహిర్గతం చేయడానికి బయలుదేరాము. ఆ ప్రయోజనం కోసం, మేము WS2 (21, 12)లోని A-ఎక్సైటాన్కు రెసొనెంట్గా ఉండే 2-eV పంప్ పల్స్లతో హెటెరోస్ట్రక్చర్ను ఉత్తేజపరిచి, 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద రెండవ టైమ్-డిలేడ్ ప్రోబ్ పల్స్తో ఫోటోఎలక్ట్రాన్లను వెలికితీస్తాము. మొమెంటం-, ఎనర్జీ-, మరియు టైమ్-రిసాల్వ్డ్ క్యారియర్ డైనమిక్స్ను యాక్సెస్ చేయడానికి, పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్గా హెమిస్ఫెరికల్ ఎనలైజర్తో ఫోటోఎలక్ట్రాన్ల గతిజ శక్తి మరియు ఉద్గార కోణాన్ని మేము నిర్ధారిస్తాము. శక్తి మరియు సమయ రిజల్యూషన్ వరుసగా 240 meV మరియు 200 fs.
మా ఫలితాలు ఎపిటాక్సియల్గా అమర్చబడిన పొరల మధ్య అతివేగవంతమైన ఛార్జ్ బదిలీకి ప్రత్యక్ష సాక్ష్యాన్ని అందిస్తాయి, పొరల యొక్క ఏకపక్ష అజిముతల్ అమరికతో (9–15) ఇలాంటి మాన్యువల్గా సమీకరించబడిన హెటెరోస్ట్రక్చర్లలో ఆల్-ఆప్టికల్ టెక్నిక్ల ఆధారంగా మొదటి సూచనలను ధృవీకరిస్తాయి. అదనంగా, ఈ ఛార్జ్ బదిలీ అత్యంత అసమానంగా ఉందని మేము చూపిస్తాము. మా కొలతలు ఇంతకు ముందు గమనించని ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితిని వెల్లడిస్తున్నాయి, దీనిలో ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ వరుసగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొరలో ఉంటాయి, ఇది ∼1 ps పాటు ఉంటుంది. హై-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడైనట్లుగా, WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్ల సాపేక్ష అమరిక వలన ఎలక్ట్రాన్ మరియు హోల్ బదిలీ కోసం స్కాటరింగ్ ఫేస్ స్పేస్లోని తేడాల పరంగా మేము మా పరిశోధనలను వివరిస్తాము. స్పిన్- మరియు వ్యాలీ-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్ (22–25)తో కలిపి, WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లు గ్రాఫేన్లోకి సమర్థవంతమైన అతివేగవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఒక కొత్త వేదికను అందించవచ్చు.
పటం 1A, ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ΓK-దిశ వెంబడి ఉన్న బ్యాండ్ నిర్మాణానికి సంబంధించి, హీలియం దీపంతో పొందిన అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES కొలతను చూపుతుంది. డైరాక్ కోన్ హోల్-డోప్ చేయబడిందని మరియు డైరాక్ పాయింట్ సమతుల్య రసాయన పొటెన్షియల్కు ∼0.3 eV పైన ఉందని కనుగొనబడింది. స్పిన్-స్ప్లిట్ అయిన WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క పైభాగం సమతుల్య రసాయన పొటెన్షియల్కు ∼1.2 eV దిగువన ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది.
(A) ధ్రువణరహిత హీలియం దీపంతో ΓK-దిశలో కొలిచిన సమతాస్థితి ఫోటోకరెంట్. (B) 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద p-ధ్రువణ తీవ్ర అతినీలలోహిత పల్స్లతో కొలిచిన, రుణాత్మక పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం కోసం ఫోటోకరెంట్. చుక్కల బూడిద మరియు ఎరుపు గీతలు, పటం 2లో తాత్కాలిక శిఖర స్థానాలను సంగ్రహించడానికి ఉపయోగించిన లైన్ ప్రొఫైల్ల స్థానాన్ని సూచిస్తాయి. (C) 2 mJ/cm2 పంప్ ఫ్లూయెన్స్తో 2 eV పంప్ ఫోటాన్ శక్తి వద్ద ఫోటోఉత్తేజనం జరిగిన 200 fs తర్వాత ఫోటోకరెంట్లో పంప్-ప్రేరిత మార్పులు. ఫోటోఎలక్ట్రాన్ల లాభం మరియు నష్టం వరుసగా ఎరుపు మరియు నీలం రంగులలో చూపబడ్డాయి. పటం 3లో ప్రదర్శించబడిన పంప్-ప్రోబ్ ట్రేస్ల కోసం ఏకీకరణ ప్రాంతాన్ని పెట్టెలు సూచిస్తాయి.
పంప్ పల్స్ రాకకు ముందు నెగటివ్ పంప్-ప్రోబ్ డిలే వద్ద, 26-eV ఫోటాన్ శక్తితో 100-fs ఎక్స్ట్రీమ్ అల్ట్రావైలెట్ పల్స్లను ఉపయోగించి కొలిచిన, WS2 మరియు గ్రాఫేన్ K-పాయింట్లకు దగ్గరగా ఉన్న బ్యాండ్ స్ట్రక్చర్ యొక్క tr-ARPES స్నాప్షాట్ను పటం 1B చూపిస్తుంది. ఇక్కడ, శాంపిల్ క్షీణత మరియు స్పెక్ట్రల్ ఫీచర్ల యొక్క స్పేస్ ఛార్జ్ బ్రాడనింగ్కు కారణమయ్యే 2-eV పంప్ పల్స్ ఉండటం వల్ల స్పిన్ స్ప్లిటింగ్ స్పష్టంగా కనిపించదు. పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ దాని గరిష్ట స్థాయికి చేరుకునే 200 fs పంప్-ప్రోబ్ డిలే వద్ద, పటం 1Bతో పోలిస్తే పంప్-ప్రేరిత ఫోటోకరెంట్ మార్పులను పటం 1C చూపిస్తుంది. ఎరుపు మరియు నీలం రంగులు వరుసగా ఫోటోఎలక్ట్రాన్ల గెయిన్ మరియు లాస్ను సూచిస్తాయి.
ఈ సంక్లిష్టమైన గతిశీలతను మరింత వివరంగా విశ్లేషించడానికి, అనుబంధ సామగ్రిలో వివరంగా వివరించినట్లుగా, మనం మొదటగా పటం 1Bలోని చుక్కల గీతల వెంబడి WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క తాత్కాలిక శిఖర స్థానాలను నిర్ధారిస్తాము. WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ 90 meV పైకి మారుతుందని (పటం 2A) మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ 50 meV క్రిందికి మారుతుందని (పటం 2B) మనం కనుగొన్నాము. ఈ మార్పుల యొక్క ఘాతాంక జీవితకాలం WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్కు 1.2 ± 0.1 ps మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్కు 1.7 ± 0.3 psగా ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది. ఈ శిఖర మార్పులు రెండు పొరల యొక్క తాత్కాలిక ఆవేశానికి మొదటి సాక్ష్యాన్ని అందిస్తాయి, ఇక్కడ అదనపు ధన (ఋణ) ఆవేశం ఎలక్ట్రానిక్ స్థితుల బంధన శక్తిని పెంచుతుంది (తగ్గిస్తుంది). పటం 1Cలో నల్ల పెట్టెతో గుర్తించబడిన ప్రాంతంలోని ప్రముఖ పంప్-ప్రోబ్ సంకేతానికి WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క పైకి జరగడమే కారణమని గమనించండి.
పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ప్రమేయంగా WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ (A) మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ (B) యొక్క శిఖర స్థానంలో మార్పు, ఘాతాంక అమరికలతో (మందపాటి గీతలు) పాటుగా చూపబడింది. (A) లో WS2 మార్పు యొక్క జీవితకాలం 1.2 ± 0.1 ps. (B) లో గ్రాఫేన్ మార్పు యొక్క జీవితకాలం 1.7 ± 0.3 ps.
తరువాత, మేము Fig. 1C లో రంగు పెట్టెలతో సూచించిన ప్రాంతాలలో పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ను ఇంటిగ్రేట్ చేసి, ఫలితంగా వచ్చిన కౌంట్లను పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్గా Fig. 3 లో ప్లాట్ చేస్తాము. Fig. 3 లోని కర్వ్ 1, డేటాకు ఎక్స్పోనెన్షియల్ ఫిట్ నుండి పొందిన 1.1 ± 0.1 ps లైఫ్టైమ్తో WS2 పొర యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్ అడుగు భాగానికి దగ్గరగా ఉన్న ఫోటోఎక్సైటెడ్ క్యారియర్ల డైనమిక్స్ను చూపిస్తుంది (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి).
Fig. 1C లోని పెట్టెలతో సూచించిన ప్రాంతంపై ఫోటోకరెంట్ను ఇంటిగ్రేట్ చేయడం ద్వారా పొందిన ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్గా పంప్-ప్రోబ్ ట్రేస్లు. మందపాటి గీతలు డేటాకు ఎక్స్పోనెన్షియల్ ఫిట్లు. కర్వ్ (1) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్లో తాత్కాలిక క్యారియర్ పాపులేషన్. కర్వ్ (2) సమతాస్థితి రసాయన పొటెన్షియల్ పైన ఉన్న గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. కర్వ్ (3) సమతాస్థితి రసాయన పొటెన్షియల్ క్రింద ఉన్న గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. కర్వ్ (4) WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్లో నికర పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. జీవితకాలాలు (1)లో 1.2 ± 0.1 ps, (2)లో 180 ± 20 fs (గెయిన్) మరియు ∼2 ps (లాస్), మరియు (3)లో 1.8 ± 0.2 psగా కనుగొనబడ్డాయి.
పటం 3లోని 2 మరియు 3 వక్రరేఖలలో, మేము గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ను చూపిస్తున్నాము. సమతుల్య రసాయన పొటెన్షియల్ కంటే పైన ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ల గెయిన్ (పటం 3లోని వక్రరేఖ 2), సమతుల్య రసాయన పొటెన్షియల్ కంటే కింద ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ల లాస్తో (పటం 3లోని వక్రరేఖ 3లో 1.8 ± 0.2 ps) పోలిస్తే చాలా తక్కువ జీవితకాలాన్ని (180 ± 20 fs) కలిగి ఉందని మేము కనుగొన్నాము. ఇంకా, పటం 3లోని వక్రరేఖ 2లో ఫోటోకరెంట్ యొక్క ప్రారంభ గెయిన్, t = 400 fs వద్ద ∼2 ps జీవితకాలంతో లాస్గా మారుతుందని కనుగొనబడింది. కప్పబడని మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్లో గెయిన్ మరియు లాస్ మధ్య ఈ అసమరూపత లేదని కనుగొనబడింది (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్లోని పటం S5 చూడండి), ఇది WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో ఇంటర్లేయర్ కప్లింగ్ ఫలితంగా ఈ అసమరూపత ఏర్పడుతుందని సూచిస్తుంది. సమతాస్థితి రసాయన పొటెన్షియల్కు పైన మరియు కింద వరుసగా స్వల్పకాలిక లాభం మరియు దీర్ఘకాలిక నష్టాన్ని గమనించడం, హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ఫోటోఎక్సైటేషన్ మీద గ్రాఫీన్ పొర నుండి ఎలక్ట్రాన్లు సమర్థవంతంగా తొలగించబడతాయని సూచిస్తుంది. ఫలితంగా, గ్రాఫీన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడుతుంది, ఇది పటం 2Bలో కనుగొనబడిన π-బ్యాండ్ యొక్క బంధన శక్తి పెరుగుదలతో స్థిరంగా ఉంటుంది. π-బ్యాండ్ యొక్క డౌన్షిఫ్ట్, సమతాస్థితి రసాయన పొటెన్షియల్కు పైన ఉన్న సమతాస్థితి ఫెర్మీ-డిరాక్ పంపిణీ యొక్క అధిక-శక్తి తోకను తొలగిస్తుంది, ఇది పటం 3లోని కర్వ్ 2లో పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క సంకేత మార్పును పాక్షికంగా వివరిస్తుంది. π-బ్యాండ్లో ఎలక్ట్రాన్ల తాత్కాలిక నష్టం ద్వారా ఈ ప్రభావం మరింత మెరుగుపరచబడుతుందని మేము కింద చూపిస్తాము.
ఈ దృష్టాంతానికి, పటం 3లోని వక్రరేఖ 4లో ఉన్న WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క నికర పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ మద్దతు ఇస్తుంది. అన్ని పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యాల వద్ద వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి ఫోటోఎమిట్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లను సంగ్రహించే పటం 1Bలోని బ్లాక్ బాక్స్ ద్వారా ఇవ్వబడిన ప్రాంతంపై గణనలను ఏకీకృతం చేయడం ద్వారా ఈ డేటా పొందబడింది. ప్రయోగాత్మక దోష పరిమితులలో, ఏ పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్దనైనా WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్లో రంధ్రాలు (హోల్స్) ఉన్నట్లు మాకు ఎటువంటి సూచన కనిపించలేదు. ఫోటోఉత్తేజనం తర్వాత, ఈ రంధ్రాలు మన తాత్కాలిక రిజల్యూషన్తో పోలిస్తే తక్కువ కాల వ్యవధిలో వేగంగా తిరిగి నింపబడతాయని ఇది సూచిస్తుంది.
WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో అతివేగవంతమైన ఛార్జ్ విభజన అనే మా పరికల్పనకు తుది రుజువును అందించడానికి, అనుబంధ సామగ్రిలో వివరంగా వివరించినట్లుగా, గ్రాఫేన్ పొరకు బదిలీ చేయబడిన హోల్స్ సంఖ్యను మేము నిర్ధారిస్తాము. క్లుప్తంగా చెప్పాలంటే, π-బ్యాండ్ యొక్క తాత్కాలిక ఎలక్ట్రానిక్ పంపిణీని ఫెర్మీ-డిరాక్ పంపిణీతో సరిపోల్చడం జరిగింది. ఆ తర్వాత, తాత్కాలిక రసాయన పొటెన్షియల్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ ఉష్ణోగ్రత యొక్క ఫలిత విలువల నుండి హోల్స్ సంఖ్యను లెక్కించడం జరిగింది. ఫలితం పటం 4లో చూపబడింది. WS2 నుండి గ్రాఫేన్కు మొత్తం ∼5 × 10¹² హోల్స్/cm² 1.5 ± 0.2 ps ఘాతాంక జీవితకాలంతో బదిలీ చేయబడ్డాయని మేము కనుగొన్నాము.
పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ప్రమేయంగా π-బ్యాండ్లోని రంధ్రాల సంఖ్యలో మార్పు, 1.5 ± 0.2 ps జీవితకాలాన్ని ఇచ్చే ఘాతాంక అమరికతో కలిపి.
పటాలు 2 నుండి 4 వరకు ఉన్న పరిశోధనల నుండి, WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో జరిగే అతివేగవంతమైన ఛార్జ్ బదిలీకి సంబంధించిన ఈ క్రింది సూక్ష్మ చిత్రం ఆవిర్భవిస్తుంది (పటం 5). 2 eV వద్ద WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ను కాంతి ఉద్దీపన చేసినప్పుడు, అది ప్రధానంగా WS2లోని A-ఎక్సైటాన్ను నింపుతుంది (పటం 5A). గ్రాఫేన్లోని డైరాక్ పాయింట్ వద్ద, అలాగే WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్ల మధ్య అదనపు ఎలక్ట్రానిక్ ఉద్దీపనలు శక్తిపరంగా సాధ్యమే అయినప్పటికీ, అవి గణనీయంగా తక్కువ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్లోని కాంతి ఉద్దీపన చెందిన రంధ్రాలు, మన తాత్కాలిక రిజల్యూషన్తో పోలిస్తే తక్కువ కాల వ్యవధిలో గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి ఉద్భవించే ఎలక్ట్రాన్ల ద్వారా తిరిగి నింపబడతాయి (పటం 5A). WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్లోని కాంతి ఉద్దీపన చెందిన ఎలక్ట్రాన్ల జీవితకాలం ∼1 ps (పటం 5B). అయితే, గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్లోని రంధ్రాలను తిరిగి నింపడానికి ∼2 ps పడుతుంది (పటం 5B). WS2 వాహక పట్టీ మరియు గ్రాఫేన్ π-పట్టీ మధ్య ప్రత్యక్ష ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కాకుండా, పూర్తి గతిశాస్త్రాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి అదనపు సడలింపు మార్గాలను—బహుశా లోప స్థితుల (26) ద్వారా—పరిగణించవలసి ఉంటుందని ఇది సూచిస్తుంది.
(A) 2 eV వద్ద WS2 A-ఎక్సైటాన్కు అనునాదంలో ఫోటోఎక్సైటేషన్, WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్లోకి ఎలక్ట్రాన్లను ఇంజెక్ట్ చేస్తుంది. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్లోని సంబంధిత హోల్స్, గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి వచ్చే ఎలక్ట్రాన్ల ద్వారా తక్షణమే తిరిగి నింపబడతాయి. (B) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ క్యారియర్లు ∼1 ps జీవితకాలాన్ని కలిగి ఉంటాయి. గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్లోని హోల్స్ ∼2 ps వరకు జీవిస్తాయి, ఇది డాష్డ్ బాణాలతో సూచించబడిన అదనపు స్కాటరింగ్ ఛానెల్ల ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది. (A) మరియు (B) లలో నల్ల డాష్డ్ లైన్లు బ్యాండ్ షిఫ్ట్లను మరియు రసాయన పొటెన్షియల్లోని మార్పులను సూచిస్తాయి. (C) తాత్కాలిక స్థితిలో, WS2 పొర రుణాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడి ఉండగా, గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడి ఉంటుంది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతితో స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఎక్సైటేషన్ కోసం, WS2లోని ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు గ్రాఫేన్లోని సంబంధిత హోల్స్ వ్యతిరేక స్పిన్ ధ్రువణాన్ని ప్రదర్శిస్తాయని భావిస్తున్నారు.
తాత్కాలిక స్థితిలో, కాంతి ద్వారా ఉత్తేజితమైన ఎలక్ట్రాన్లు WS2 యొక్క వాహక పట్టీలో ఉంటాయి, అయితే కాంతి ద్వారా ఉత్తేజితమైన రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ యొక్క π-పట్టీలో ఉంటాయి (పటం 5C). దీని అర్థం WS2 పొర రుణాత్మకంగా మరియు గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా ఆవేశం కలిగి ఉంటుంది. తాత్కాలిక శిఖర మార్పులకు (పటం 2), గ్రాఫేన్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క అసౌష్టవానికి (పటం 3లోని వక్రాలు 2 మరియు 3), WS2 యొక్క సంయోజక పట్టీలో రంధ్రాలు లేకపోవడానికి (పటం 3లోని వక్రం 4), అలాగే గ్రాఫేన్ π-పట్టీలో అదనపు రంధ్రాలు ఉండటానికి (పటం 4) ఇది కారణమవుతుంది. ఈ ఆవేశ-విడిపోయిన స్థితి యొక్క జీవితకాలం ∼1 ps (పటం 3లోని వక్రం 1).
టైప్ II బ్యాండ్ అలైన్మెంట్ మరియు స్టాగర్డ్ బ్యాండ్గ్యాప్తో రెండు డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్లతో తయారు చేయబడిన సంబంధిత వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లలో ఇలాంటి ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితులు గమనించబడ్డాయి (27–32). ఫోటోఎక్సైటేషన్ తర్వాత, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ వరుసగా కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువకు మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ పైభాగానికి వేగంగా కదులుతున్నట్లు కనుగొనబడింది, ఇవి హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క వేర్వేరు పొరలలో ఉన్నాయి (27–32).
మన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ విషయంలో, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ రెండింటికీ శక్తిపరంగా అత్యంత అనుకూలమైన ప్రదేశం లోహ గ్రాఫేన్ పొరలోని ఫెర్మీ స్థాయిలో ఉంటుంది. అందువల్ల, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ రెండూ గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్కు వేగంగా బదిలీ అవుతాయని ఊహించవచ్చు. అయితే, మన కొలతలు ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ (∼1 ps) కంటే హోల్ బదిలీ (<200 fs) చాలా సమర్థవంతంగా ఉందని స్పష్టంగా చూపిస్తున్నాయి. దీనికి కారణం, ఇటీవల (14, 15) ఊహించినట్లుగా, ఎలక్ట్రాన్ బదిలీతో పోలిస్తే హోల్ బదిలీకి ఎక్కువ సంఖ్యలో అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితులను అందించే, Fig. 1Aలో వెల్లడైన WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్ల సాపేక్ష శక్తి అమరిక అని మేము భావిస్తున్నాము. ప్రస్తుత సందర్భంలో, ∼2 eV WS2 బ్యాండ్గ్యాప్ను ఊహిస్తే, గ్రాఫేన్ డైరాక్ పాయింట్ మరియు సమతుల్య రసాయన పొటెన్షియల్ వరుసగా WS2 బ్యాండ్గ్యాప్ మధ్యభాగం కంటే ∼0.5 మరియు ∼0.2 eV పైన ఉంటాయి, ఇది ఎలక్ట్రాన్-హోల్ సమరూపతను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది. ఎలక్ట్రాన్ బదిలీతో పోలిస్తే హోల్ బదిలీకి అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య సుమారు 6 రెట్లు ఎక్కువగా ఉందని మేము కనుగొన్నాము (అనుబంధ సామగ్రిని చూడండి), అందువల్లనే ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే హోల్ బదిలీ వేగంగా ఉంటుందని భావిస్తున్నారు.
అయితే, గమనించిన అతివేగవంతమైన అసమాన ఛార్జ్ బదిలీ యొక్క పూర్తి సూక్ష్మ చిత్రాన్ని పొందాలంటే, వరుసగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్లోని A-ఎక్సైటాన్ తరంగ ఫంక్షన్ను ఏర్పరిచే ఆర్బిటాల్ల మధ్య అతివ్యాప్తి, ద్రవ్యవేగం, శక్తి, స్పిన్ మరియు సూడోస్పిన్ పరిరక్షణ ద్వారా విధించబడిన పరిమితులతో సహా విభిన్న ఎలక్ట్రాన్-ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఎలక్ట్రాన్-ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ఛానెల్లు, ప్లాస్మా డోలనాల ప్రభావం (33), అలాగే ఛార్జ్ బదిలీకి మధ్యవర్తిత్వం వహించగల పొందికైన ఫోనాన్ డోలనాల యొక్క సాధ్యమయ్యే స్థానభ్రంశ ఉత్ప్రేరణ పాత్రను (34, 35) కూడా పరిగణనలోకి తీసుకోవాలి. అలాగే, గమనించిన ఛార్జ్ బదిలీ స్థితి ఛార్జ్ బదిలీ ఎక్సైటాన్లను లేదా స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను కలిగి ఉందా అని కూడా ఊహించవచ్చు (అనుబంధ సామగ్రిని చూడండి). ఈ సమస్యలను స్పష్టం చేయడానికి ప్రస్తుత పత్రం యొక్క పరిధిని మించిన మరిన్ని సైద్ధాంతిక పరిశోధనలు అవసరం.
సారాంశంలో, ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో అతివేగవంతమైన ఇంటర్లేయర్ ఛార్జ్ బదిలీని అధ్యయనం చేయడానికి మేము tr-ARPESను ఉపయోగించాము. 2 eV వద్ద WS2 యొక్క A-ఎక్సైటాన్కు రెజోనెన్స్లో ఉత్తేజపరిచినప్పుడు, ఫోటోఎక్సైటెడ్ హోల్స్ వేగంగా గ్రాఫేన్ పొరలోకి బదిలీ అవుతాయని, అయితే ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు WS2 పొరలోనే ఉంటాయని మేము కనుగొన్నాము. ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే హోల్ బదిలీకి అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య ఎక్కువగా ఉండటమే దీనికి కారణమని మేము భావించాము. ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితి యొక్క జీవితకాలం ∼1 psగా కనుగొనబడింది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతిని (22–25) ఉపయోగించి స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్తో కలిపి, గమనించిన అతివేగవంతమైన ఛార్జ్ బదిలీతో పాటు స్పిన్ బదిలీ కూడా జరగవచ్చు. ఈ సందర్భంలో, పరిశోధించబడిన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ను గ్రాఫేన్లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఉపయోగించవచ్చు, ఫలితంగా నూతన ఆప్టోస్పింట్రానిక్ పరికరాలు ఏర్పడతాయి.
గ్రాఫేన్ నమూనాలను SiCrystal GmbH నుండి వాణిజ్య సెమీకండక్టింగ్ 6H-SiC(0001) వేఫర్లపై పెంచారు. N-డోప్డ్ వేఫర్లు 0.5° కంటే తక్కువ మిస్కట్తో ఆన్-యాక్సిస్లో ఉన్నాయి. గీతలను తొలగించి, క్రమమైన చదునైన టెర్రేస్లను పొందడానికి SiC సబ్స్ట్రేట్ను హైడ్రోజన్-ఎచింగ్ చేశారు. శుభ్రమైన మరియు అణువుల స్థాయిలో చదునైన Si-టెర్మినేటెడ్ ఉపరితలాన్ని, నమూనాను Ar వాతావరణంలో 1300°C వద్ద 8 నిమిషాల పాటు ఎనీలింగ్ చేయడం ద్వారా గ్రాఫైటైజ్ చేశారు (36). ఈ విధంగా, మేము ఒకే కార్బన్ పొరను పొందాము, ఇక్కడ ప్రతి మూడవ కార్బన్ అణువు SiC సబ్స్ట్రేట్కు సమయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది (37). ఈ పొరను హైడ్రోజన్ ఇంటర్కలేషన్ ద్వారా పూర్తిగా sp2-హైబ్రిడైజ్డ్ క్వాసీ ఫ్రీ-స్టాండింగ్ హోల్-డోప్డ్ గ్రాఫేన్గా మార్చారు (38). ఈ నమూనాలను గ్రాఫేన్/H-SiC(0001)గా సూచిస్తారు. ఈ మొత్తం ప్రక్రియను Aixtron నుండి వాణిజ్య బ్లాక్ మ్యాజిక్ గ్రోత్ ఛాంబర్లో నిర్వహించారు. పూర్వగాములుగా 1:100 ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తిలో WO3 మరియు S పొడులను ఉపయోగించి, తక్కువ-పీడన రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (39, 40) ద్వారా ఒక ప్రామాణిక హాట్-వాల్ రియాక్టర్లో WS2 వృద్ధిని నిర్వహించారు. WO3 మరియు S పొడులను వరుసగా 900 మరియు 200°C వద్ద ఉంచారు. WO3 పొడిని సబ్స్ట్రేట్కు దగ్గరగా ఉంచారు. 8 sccm ప్రవాహంతో ఆర్గాన్ను క్యారియర్ గ్యాస్గా ఉపయోగించారు. రియాక్టర్లోని పీడనాన్ని 0.5 mbar వద్ద ఉంచారు. నమూనాలను సెకండరీ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ, అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ, రామన్, మరియు ఫోటోల్యూమినిసెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, అలాగే తక్కువ-శక్తి ఎలక్ట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్తో వర్గీకరించారు. ఈ కొలతలు రెండు విభిన్న WS2 ఏక-స్ఫటిక డొమైన్లను వెల్లడించాయి, ఇక్కడ ΓK-దిశ లేదా ΓK'-దిశ గ్రాఫేన్ పొర యొక్క ΓK-దిశతో సమలేఖనం చేయబడింది. డొమైన్ భుజాల పొడవులు 300 మరియు 700 nm మధ్య మారాయి, మరియు మొత్తం WS2 కవరేజ్ సుమారుగా ∼40%గా అంచనా వేయబడింది, ఇది ARPES విశ్లేషణకు అనుకూలంగా ఉంది.
ఎలక్ట్రాన్ శక్తి మరియు ద్రవ్యవేగాన్ని రెండు-డైమెన్షనల్గా గుర్తించడం కోసం, ఛార్జ్-కపుల్డ్ డివైస్–డిటెక్టర్ వ్యవస్థను ఉపయోగించి, ఒక అర్ధగోళ విశ్లేషకం (SPECS PHOIBOS 150)తో స్టాటిక్ ARPES ప్రయోగాలు నిర్వహించబడ్డాయి. అన్ని ఫోటోఎమిషన్ ప్రయోగాల కోసం, అధిక-ఫ్లక్స్ హీలియం డిశ్చార్జ్ సోర్స్ (VG Scienta VUV5000) నుండి వెలువడే ధ్రువణరహిత, ఏకవర్ణ హీలియం Iα వికిరణం (21.2 eV) ఉపయోగించబడింది. మా ప్రయోగాలలో శక్తి మరియు కోణీయ రిజల్యూషన్ వరుసగా 30 meV మరియు 0.3° (0.01 Å−1 కు అనుగుణంగా) కంటే మెరుగ్గా ఉన్నాయి. అన్ని ప్రయోగాలు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద నిర్వహించబడ్డాయి. ARPES అనేది ఉపరితలానికి అత్యంత సున్నితమైన ఒక సాంకేతికత. WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొర రెండింటి నుండి ఫోటోఎలక్ట్రాన్లను వెలికితీయడానికి, సుమారు 40% అసంపూర్ణ WS2 కవరేజ్ ఉన్న నమూనాలను ఉపయోగించారు.
tr-ARPES అమరిక 1-kHz టైటానియం:సఫైర్ యాంప్లిఫైయర్ (కోహెరెంట్ లెజెండ్ ఎలైట్ డ్యూయో) ఆధారంగా రూపొందించబడింది. ఆర్గాన్లో అధిక హార్మోనిక్స్ ఉత్పత్తి కోసం 2 mJ అవుట్పుట్ పవర్ను ఉపయోగించారు. ఫలితంగా వచ్చిన తీవ్ర అతినీలలోహిత కాంతి ఒక గ్రేటింగ్ మోనోక్రోమేటర్ గుండా ప్రయాణించి, 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద 100-fs ప్రోబ్ పల్స్లను ఉత్పత్తి చేసింది. 8mJ యాంప్లిఫైయర్ అవుట్పుట్ పవర్ను ఒక ఆప్టికల్ పారామెట్రిక్ యాంప్లిఫైయర్ (లైట్ కన్వర్షన్ నుండి HE-TOPAS)లోకి పంపారు. 1-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద ఉన్న సిగ్నల్ బీమ్ను, 2-eV పంప్ పల్స్లను పొందడానికి ఒక బీటా బేరియం బోరేట్ క్రిస్టల్లో ఫ్రీక్వెన్సీ-డబుల్ చేశారు. tr-ARPES కొలతలను ఒక హెమిస్ఫెరికల్ అనలైజర్ (SPECS PHOIBOS 100)తో నిర్వహించారు. మొత్తం శక్తి మరియు టెంపోరల్ రిజల్యూషన్ వరుసగా 240 meV మరియు 200 fsగా ఉన్నాయి.
ఈ వ్యాసానికి సంబంధించిన అనుబంధ సమాచారం http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 వద్ద అందుబాటులో ఉంది.
ఇది క్రియేటివ్ కామన్స్ అట్రిబ్యూషన్-నాన్కమర్షియల్ లైసెన్స్ నిబంధనల క్రింద పంపిణీ చేయబడిన ఒక ఓపెన్-యాక్సెస్ వ్యాసం. ఈ లైసెన్స్ ప్రకారం, ఫలిత వినియోగం వాణిజ్య ప్రయోజనం కోసం కానంత వరకు మరియు అసలు రచనను సరిగ్గా ఉదహరించినంత వరకు, దీనిని ఏ మాధ్యమంలోనైనా ఉపయోగించడానికి, పంపిణీ చేయడానికి మరియు పునరుత్పత్తి చేయడానికి అనుమతి ఉంది.
గమనిక: మీరు ఈ పేజీని సిఫార్సు చేస్తున్న వ్యక్తికి, మీరు దానిని వారు చూడాలని కోరుకుంటున్నారని మరియు అది జంక్ మెయిల్ కాదని తెలియజేయడం కోసమే మేము మీ ఇమెయిల్ చిరునామాను అభ్యర్థిస్తున్నాము. మేము ఏ ఇమెయిల్ చిరునామాను సేకరించము.
మీరు మానవ సందర్శకులా కాదా అని పరీక్షించడానికి మరియు ఆటోమేటెడ్ స్పామ్ సమర్పణలను నివారించడానికి ఈ ప్రశ్న ఉద్దేశించబడింది.
స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్
గ్రాఫేన్లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ను సాధ్యం చేసే అవకాశం ఉన్న WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో అత్యంత వేగవంతమైన ఛార్జ్ విభజనను మేము వెల్లడిస్తున్నాము.
స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్
గ్రాఫేన్లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ను సాధ్యం చేసే అవకాశం ఉన్న WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లో అత్యంత వేగవంతమైన ఛార్జ్ విభజనను మేము వెల్లడిస్తున్నాము.
© 2020 అమెరికన్ అసోసియేషన్ ఫర్ ది అడ్వాన్స్మెంట్ ఆఫ్ సైన్స్. అన్ని హక్కులు ప్రత్యేకించబడ్డాయి. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef మరియు COUNTERకి భాగస్వామి. సైన్స్ అడ్వాన్సెస్ ISSN 2375-2548.
పోస్ట్ చేసిన సమయం: మే-25-2020