ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్లలో సమర్థవంతమైన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనకు ప్రత్యక్ష ఆధారాలు

మోనోలేయర్ WS2 మరియు గ్రాఫేన్‌తో తయారు చేయబడిన ఎపిటాక్సియల్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీని పరిశోధించడానికి మేము సమయం మరియు కోణం-పరిష్కరించబడిన ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)ని ఉపయోగిస్తాము. ఈ హెటెరోస్ట్రక్చర్ బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్‌తో డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రయోజనాలను మరియు చాలా అధిక చలనశీలత మరియు దీర్ఘ స్పిన్ జీవితకాలం కలిగిన సెమీమెటల్ హోస్టింగ్ మాస్‌లెస్ క్యారియర్‌లతో బలమైన కాంతి-పదార్థ పరస్పర చర్యను మిళితం చేస్తుంది. WS2లో A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వని వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత, ఫోటోఎక్సిటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు WS2 పొరలో ఉండగా, ఫోటోఎక్సిటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ పొరలోకి వేగంగా బదిలీ అవుతాయని మేము కనుగొన్నాము. ఫలితంగా ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితి ~1 ps జీవితకాలం కలిగి ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది. అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడైన WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల సాపేక్ష అమరిక వల్ల కలిగే స్కాటరింగ్ ఫేజ్ స్పేస్‌లోని తేడాలకు మేము మా పరిశోధనలను ఆపాదించాము. స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్‌తో కలిపి, పరిశోధించబడిన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఒక వేదికను అందించవచ్చు.

అనేక విభిన్న ద్విమితీయ పదార్థాల లభ్యత, టైలర్డ్ డైఎలెక్ట్రిక్ స్క్రీనింగ్ మరియు వివిధ సామీప్యత-ప్రేరిత ప్రభావాల ఆధారంగా పూర్తిగా కొత్త కార్యాచరణలతో నవల అంతిమంగా సన్నని హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను సృష్టించే అవకాశాన్ని తెరిచింది (1–3). ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో భవిష్యత్ అనువర్తనాల కోసం ప్రూఫ్-ఆఫ్-ప్రిన్సిపల్ పరికరాలు గ్రహించబడ్డాయి (4–6).

ఇక్కడ, మేము ఎపిటాక్సియల్ వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లపై దృష్టి పెడతాము, ఇందులో బలమైన స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ మరియు విరిగిన విలోమ సమరూపత (7) కారణంగా బ్యాండ్ నిర్మాణం యొక్క గణనీయమైన స్పిన్ స్ప్లిటింగ్ కలిగిన డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ అయిన మోనోలేయర్ WS2 మరియు హైడ్రోజన్-టెర్మినేటెడ్ SiC(0001) పై పెరిగిన శంఖాకార బ్యాండ్ నిర్మాణం మరియు చాలా ఎక్కువ క్యారియర్ మొబిలిటీ కలిగిన సెమీమెటల్ అయిన మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ ఉన్నాయి. అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ (9–15) మరియు సామీప్యత-ప్రేరిత స్పిన్-ఆర్బిట్ కప్లింగ్ ఎఫెక్ట్స్ (16–18) కోసం మొదటి సూచనలు WS2/గ్రాఫేన్ మరియు ఇలాంటి హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను భవిష్యత్ ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ (19) మరియు ఆప్టోస్పింట్రోనిక్ (20) అనువర్తనాలకు అభ్యర్థులను హామీ ఇస్తున్నాయి.

WS2/గ్రాఫేన్‌లో ఫోటోజెనరేటెడ్ ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల సడలింపు మార్గాలను సమయం మరియు కోణం-పరిష్కరించబడిన ఫోటోఎమిషన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (tr-ARPES)తో బహిర్గతం చేయడానికి మేము బయలుదేరాము. ఆ ప్రయోజనం కోసం, WS2 (21, 12)లోని A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వనించే 2-eV పంప్ పల్స్‌లతో మేము హెటెరోస్ట్రక్చర్‌ను ఉత్తేజపరుస్తాము మరియు 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద రెండవ సమయం-ఆలస్యమైన ప్రోబ్ పల్స్‌తో ఫోటోఎలక్ట్రాన్‌లను బయటకు తీస్తాము. మొమెంటం-, శక్తి- మరియు సమయ-పరిష్కరించబడిన క్యారియర్ డైనమిక్స్‌కు ప్రాప్యత పొందడానికి పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క విధిగా అర్ధగోళాకార విశ్లేషణకారితో ఫోటోఎలక్ట్రాన్‌ల యొక్క గతి శక్తి మరియు ఉద్గార కోణాన్ని మేము నిర్ణయిస్తాము. శక్తి మరియు సమయ స్పష్టత వరుసగా 240 meV మరియు 200 fs.

మా ఫలితాలు ఎపిటాక్సియల్‌గా సమలేఖనం చేయబడిన పొరల మధ్య అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీకి ప్రత్యక్ష ఆధారాలను అందిస్తాయి, పొరల యొక్క ఏకపక్ష అజిముతల్ అమరికతో సారూప్య మాన్యువల్‌గా సమలేఖనం చేయబడిన హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో ఆల్-ఆప్టికల్ టెక్నిక్‌ల ఆధారంగా మొదటి సూచనలను నిర్ధారిస్తాయి (9–15). అదనంగా, ఈ ఛార్జ్ బదిలీ చాలా అసమానంగా ఉందని మేము చూపిస్తున్నాము. మా కొలతలు WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొరలో వరుసగా ఉన్న ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలతో గతంలో పరిశీలించబడని ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితిని వెల్లడిస్తాయి, ఇవి ~1 ps వరకు జీవిస్తాయి. అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES ద్వారా వెల్లడైనట్లుగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల సాపేక్ష అమరిక వల్ల కలిగే ఎలక్ట్రాన్ మరియు హోల్ బదిలీ కోసం స్కాటరింగ్ ఫేజ్ స్పేస్‌లో తేడాల పరంగా మేము మా ఫలితాలను అర్థం చేసుకుంటాము. స్పిన్- మరియు వ్యాలీ-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎక్సైటేషన్ (22–25)తో కలిపి WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లు గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం కొత్త ప్లాట్‌ఫామ్‌ను అందించవచ్చు.

చిత్రం 1A ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ΓK- దిశలో బ్యాండ్ నిర్మాణం యొక్క హీలియం దీపంతో పొందిన అధిక-రిజల్యూషన్ ARPES కొలతను చూపిస్తుంది. డైరాక్ కోన్ సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత కంటే ∼0.3 eV పైన ఉన్న డైరాక్ పాయింట్‌తో రంధ్రం-డోప్ చేయబడినట్లు కనుగొనబడింది. స్పిన్-స్ప్లిట్ WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క పైభాగం సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత కంటే ∼1.2 eV క్రింద ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది.

(A) అన్‌పోలరైజ్డ్ హీలియం లాంప్‌తో ΓK-దిశలో కొలవబడిన సమతౌల్య ఫోటోకరెంట్. (B) 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద p-పోలరైజ్డ్ ఎక్స్‌ట్రీమ్ అతినీలలోహిత పల్స్‌లతో కొలవబడిన ప్రతికూల పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం కోసం ఫోటోకరెంట్. డాష్ చేసిన బూడిద మరియు ఎరుపు రేఖలు చిత్రం 2లో తాత్కాలిక పీక్ స్థానాలను సంగ్రహించడానికి ఉపయోగించే లైన్ ప్రొఫైల్‌ల స్థానాన్ని సూచిస్తాయి. (C) 2 mJ/cm2 పంప్ ఫ్లూయెన్స్‌తో 2 eV పంప్ ఫోటాన్ శక్తి వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత ఫోటోకరెంట్ 200 fs యొక్క పంప్-ప్రేరిత మార్పులు. ఫోటోఎలక్ట్రాన్‌ల లాభం మరియు నష్టం వరుసగా ఎరుపు మరియు నీలం రంగులలో చూపబడ్డాయి. చిత్రం 3లో ప్రదర్శించబడిన పంప్-ప్రోబ్ జాడల కోసం ఏకీకరణ ప్రాంతాన్ని పెట్టెలు సూచిస్తాయి.

పంప్ పల్స్ రాకముందు ప్రతికూల పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద 100-fs ఎక్స్‌ట్రీమ్ అతినీలలోహిత పల్స్‌లతో కొలిచిన WS2 మరియు గ్రాఫేన్ K-పాయింట్‌లకు దగ్గరగా ఉన్న బ్యాండ్ నిర్మాణం యొక్క tr-ARPES స్నాప్‌షాట్‌ను Figure 1B చూపిస్తుంది. ఇక్కడ, నమూనా క్షీణత మరియు స్పెక్ట్రల్ లక్షణాల యొక్క స్పేస్ ఛార్జ్ విస్తరణకు కారణమయ్యే 2-eV పంప్ పల్స్ ఉండటం వల్ల స్పిన్ విభజన పరిష్కరించబడలేదు. పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ గరిష్ట స్థాయికి చేరుకునే 200 fs పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద Figure 1B కి సంబంధించి ఫోటోకరెంట్ యొక్క పంప్-ప్రేరిత మార్పులను Figure 1C చూపిస్తుంది. ఎరుపు మరియు నీలం రంగులు వరుసగా ఫోటోఎలక్ట్రాన్‌ల లాభం మరియు నష్టాన్ని సూచిస్తాయి.

ఈ రిచ్ డైనమిక్స్‌ను మరింత వివరంగా విశ్లేషించడానికి, సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్‌లో వివరంగా వివరించిన విధంగా, Fig. 1B లోని డాష్ చేసిన లైన్‌ల వెంట WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క ట్రాన్సియెంట్ పీక్ పొజిషన్‌లను మేము మొదట నిర్ణయిస్తాము. WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ 90 meV (Fig. 2A) పైకి మారుతుందని మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ 50 meV (Fig. 2B) క్రిందికి మారుతుందని మేము కనుగొన్నాము. ఈ షిఫ్ట్‌ల యొక్క ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ జీవితకాలం WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌కు 1.2 ± 0.1 ps మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌కు 1.7 ± 0.3 ps గా కనుగొనబడింది. ఈ పీక్ షిఫ్ట్‌లు రెండు పొరల యొక్క ట్రాన్సియెంట్ ఛార్జింగ్‌కు మొదటి సాక్ష్యాన్ని అందిస్తాయి, ఇక్కడ అదనపు సానుకూల (ప్రతికూల) ఛార్జ్ ఎలక్ట్రానిక్ స్థితుల బైండింగ్ శక్తిని పెంచుతుంది (తగ్గిస్తుంది). Fig. 1C లోని బ్లాక్ బాక్స్ ద్వారా గుర్తించబడిన ప్రాంతంలో ప్రముఖ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌కు WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క అప్‌షిఫ్ట్ కారణమని గమనించండి.

పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యంతో పాటు ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్‌లు (మందపాటి రేఖలు) యొక్క ఫంక్షన్‌గా WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ (A) మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ (B) యొక్క పీక్ పొజిషన్‌లో మార్పు. (A)లో WS2 షిఫ్ట్ జీవితకాలం 1.2 ± 0.1 ps. (B)లో గ్రాఫేన్ షిఫ్ట్ జీవితకాలం 1.7 ± 0.3 ps.

తరువాత, మేము Fig. 1C లోని రంగుల పెట్టెల ద్వారా సూచించబడిన ప్రాంతాలపై పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌ను ఏకీకృతం చేస్తాము మరియు ఫలిత గణనలను Fig. 3 లోని పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్‌గా ప్లాట్ చేస్తాము. Fig. 3 లోని కర్వ్ 1, డేటాకు ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్ నుండి పొందిన 1.1 ± 0.1 ps జీవితకాలంతో WS2 పొర యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువన దగ్గరగా ఉన్న ఫోటోఎక్సైటెడ్ క్యారియర్‌ల డైనమిక్స్‌ను చూపుతుంది (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి).

Fig. 1C లోని పెట్టెల ద్వారా సూచించబడిన ప్రాంతంపై ఫోటోకరెంట్‌ను సమగ్రపరచడం ద్వారా పొందిన ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్‌గా పంప్-ప్రోబ్ జాడలు. మందపాటి రేఖలు డేటాకు ఘాతాంక సరిపోతాయి. కర్వ్ (1) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లో తాత్కాలిక క్యారియర్ జనాభా. కర్వ్ (2) సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. కర్వ్ (3) సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత క్రింద గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. కర్వ్ (4) WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో నికర పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్. జీవితకాలం (1) లో 1.2 ± 0.1 ps, (1) లో 180 ± 20 fs (లాభం) మరియు ~2 ps (నష్టం) (2) మరియు 1.8 ± 0.2 ps (3) గా కనుగొనబడింది.

Fig. 3 లోని 2 మరియు 3 వక్రరేఖలలో, గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌ను మేము చూపిస్తాము. సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత (Fig. 3 లోని వక్రరేఖ 2) పైన ఉన్న ఎలక్ట్రాన్‌ల లాభం సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత (Fig. 3 లోని 1.8 ± 0.2 ps) కంటే తక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌ల నష్టంతో పోలిస్తే చాలా తక్కువ జీవితకాలం (180 ± 20 fs) కలిగి ఉందని మేము కనుగొన్నాము. Fig. 3 లోని కర్వ్ 2 లోని ఫోటోకరెంట్ యొక్క ప్రారంభ లాభం t = 400 fs వద్ద ~2 ps జీవితకాలంతో నష్టంగా మారుతుందని కనుగొనబడింది. లాభం మరియు నష్టం మధ్య అసమానత అన్‌కవర్డ్ మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్‌లో లేదని కనుగొనబడింది (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్‌లో Fig. S5 చూడండి), ఇది WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో ఇంటర్‌లేయర్ కలపడం యొక్క పరిణామం అని సూచిస్తుంది. సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన మరియు క్రింద వరుసగా స్వల్పకాలిక లాభం మరియు దీర్ఘకాలిక నష్టాన్ని పరిశీలించడం వలన, హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ఫోటోఎక్సిటేషన్ సమయంలో గ్రాఫేన్ పొర నుండి ఎలక్ట్రాన్లు సమర్థవంతంగా తొలగించబడతాయని సూచిస్తుంది. ఫలితంగా, గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ అవుతుంది, ఇది Fig. 2Bలో కనిపించే π-బ్యాండ్ యొక్క బంధన శక్తి పెరుగుదలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. π-బ్యాండ్ యొక్క డౌన్‌షిఫ్ట్ సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత పైన నుండి సమతౌల్య ఫెర్మి-డైరాక్ పంపిణీ యొక్క అధిక-శక్తి తోకను తొలగిస్తుంది, ఇది Fig. 3 యొక్క వక్రరేఖ 2లో పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క సంకేతం యొక్క మార్పును పాక్షికంగా వివరిస్తుంది. π-బ్యాండ్‌లోని ఎలక్ట్రాన్‌ల తాత్కాలిక నష్టం ద్వారా ఈ ప్రభావం మరింత మెరుగుపడుతుందని మేము క్రింద చూపిస్తాము.

ఈ దృశ్యాన్ని Fig. 3 లోని కర్వ్ 4 లోని WS2 వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క నెట్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ మద్దతు ఇస్తుంది. Fig. 1B లోని బ్లాక్ బాక్స్ ఇచ్చిన ప్రాంతంపై గణనలను సమగ్రపరచడం ద్వారా ఈ డేటాను పొందారు, ఇది అన్ని పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం వద్ద వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి ఫోటోఎమిటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లను సంగ్రహిస్తుంది. ప్రయోగాత్మక ఎర్రర్ బార్‌లలో, ఏదైనా పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం కోసం WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రాల ఉనికికి ఎటువంటి సూచనను మేము కనుగొనలేదు. ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత, ఈ రంధ్రాలు మన తాత్కాలిక రిజల్యూషన్‌తో పోలిస్తే తక్కువ సమయ స్కేల్‌లో వేగంగా రీఫిల్ చేయబడతాయని ఇది సూచిస్తుంది.

WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ సెపరేషన్ యొక్క మా పరికల్పనకు తుది రుజువును అందించడానికి, సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్‌లో వివరంగా వివరించిన విధంగా గ్రాఫేన్ పొరకు బదిలీ చేయబడిన రంధ్రాల సంఖ్యను మేము నిర్ణయిస్తాము. సంక్షిప్తంగా, π-బ్యాండ్ యొక్క ట్రాన్సియెంట్ ఎలక్ట్రానిక్ పంపిణీని ఫెర్మి-డైరాక్ పంపిణీతో అమర్చారు. ట్రాన్సియెంట్ రసాయన పొటెన్షియల్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ ఉష్ణోగ్రత కోసం ఫలిత విలువల నుండి రంధ్రాల సంఖ్యను లెక్కించారు. ఫలితం చిత్రం 4లో చూపబడింది. 1.5 ± 0.2 ps యొక్క ఘాతాంక జీవితకాలంతో WS2 నుండి గ్రాఫేన్‌కు మొత్తం ~5 × 1012 రంధ్రాలు/సెం.మీ2 బదిలీ చేయబడిందని మేము కనుగొన్నాము.

పంప్-ప్రోబ్ ఆలస్యం యొక్క ఫంక్షన్‌గా π-బ్యాండ్‌లోని రంధ్రాల సంఖ్యలో మార్పు, 1.5 ± 0.2 ps జీవితకాలం ఇచ్చే ఎక్స్‌పోనెన్షియల్ ఫిట్‌తో కలిసి.

Figs 2 నుండి 4 వరకు ఉన్న ఫలితాల నుండి, WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీకి సంబంధించిన కింది సూక్ష్మదర్శిని చిత్రం ఉద్భవించింది (Fig. 5). 2 eV వద్ద WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క ఫోటోఎక్సిటేషన్ WS2లో A-ఎక్సిటాన్‌ను ప్రధానంగా నింపుతుంది (Fig. 5A). గ్రాఫేన్‌లోని డైరాక్ పాయింట్ అంతటా అలాగే WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల మధ్య అదనపు ఎలక్ట్రానిక్ ఉత్తేజనాలు శక్తివంతంగా సాధ్యమవుతాయి కానీ గణనీయంగా తక్కువ సామర్థ్యం కలిగి ఉంటాయి. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సిటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి ఉద్భవించే ఎలక్ట్రాన్‌ల ద్వారా మన టెంపోరల్ రిజల్యూషన్ (Fig. 5A) కంటే తక్కువ సమయ స్కేల్‌లో తిరిగి నింపబడతాయి. WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సిటెడ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు ∼1 ps జీవితకాలం కలిగి ఉంటాయి (Fig. 5B). అయితే, గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని రంధ్రాలను తిరిగి నింపడానికి ∼2 ps పడుతుంది (Fig. 5B). పూర్తి డైనమిక్స్‌ను అర్థం చేసుకోవడానికి WS2 కండక్షన్ బ్యాండ్ మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ మధ్య ప్రత్యక్ష ఎలక్ట్రాన్ బదిలీతో పాటు, అదనపు సడలింపు మార్గాలు - బహుశా లోప ​​స్థితుల ద్వారా (26) - పరిగణించాల్సిన అవసరం ఉందని ఇది సూచిస్తుంది.

(A) 2 eV వద్ద WS2 A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వని వద్ద ఫోటోఎక్సిటేషన్ WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోకి ఎలక్ట్రాన్‌లను ఇంజెక్ట్ చేస్తుంది. WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని సంబంధిత రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్‌ల ద్వారా తక్షణమే రీఫిల్ చేయబడతాయి. (B) WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోని ఫోటోఎక్సిటెడ్ క్యారియర్‌లు ~1 ps జీవితకాలం కలిగి ఉంటాయి. గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని రంధ్రాలు ~2 ps వరకు నివసిస్తాయి, ఇది డాష్ చేసిన బాణాల ద్వారా సూచించబడిన అదనపు స్కాటరింగ్ ఛానెల్‌ల ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది. (A) మరియు (B)లోని బ్లాక్ డాష్ చేసిన పంక్తులు బ్యాండ్ మార్పులు మరియు రసాయన సంభావ్యతలో మార్పులను సూచిస్తాయి. (C) తాత్కాలిక స్థితిలో, గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడినప్పుడు WS2 పొర ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడుతుంది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతితో స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఉత్తేజితం కోసం, WS2లోని ఫోటోఎక్సిటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు గ్రాఫేన్‌లోని సంబంధిత రంధ్రాలు వ్యతిరేక స్పిన్ ధ్రువణాన్ని చూపుతాయని భావిస్తున్నారు.

తాత్కాలిక స్థితిలో, ఫోటోఎక్సైటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు WS2 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్‌లో ఉంటాయి, అయితే ఫోటోఎక్సైటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ యొక్క π-బ్యాండ్‌లో ఉంటాయి (Fig. 5C). దీని అర్థం WS2 పొర ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడి ఉంటుంది మరియు గ్రాఫేన్ పొర ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడుతుంది. ఇది తాత్కాలిక పీక్ షిఫ్ట్‌లకు (Fig. 2), గ్రాఫేన్ పంప్-ప్రోబ్ సిగ్నల్ యొక్క అసమానత (Fig. 3 యొక్క వక్రతలు 2 మరియు 3), WS2 యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రాలు లేకపోవడం (వక్రత 4 Fig. 3), అలాగే గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌లోని అదనపు రంధ్రాలకు (Fig. 4) కారణమవుతుంది. ఈ ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన స్థితి యొక్క జీవితకాలం ~1 ps (వక్రత 1 Fig. 3).

టైప్ II బ్యాండ్ అలైన్‌మెంట్ మరియు స్టాగర్డ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (27–32) కలిగిన రెండు డైరెక్ట్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్‌లతో తయారు చేయబడిన సంబంధిత వాన్ డెర్ వాల్స్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో ఇలాంటి ఛార్జ్-సెపరేటెడ్ ట్రాన్సియెంట్ స్థితులు గమనించబడ్డాయి. ఫోటోఎక్సిటేషన్ తర్వాత, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు వరుసగా కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువకు మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ పైభాగానికి వేగంగా కదులుతున్నట్లు కనుగొనబడింది, ఇవి హెటెరోస్ట్రక్చర్ యొక్క వివిధ పొరలలో ఉన్నాయి (27–32).

మా WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ విషయంలో, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు రెండింటికీ శక్తివంతంగా అత్యంత అనుకూలమైన స్థానం లోహ గ్రాఫేన్ పొరలో ఫెర్మి స్థాయిలో ఉంటుంది. అందువల్ల, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు రెండూ గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్‌కు వేగంగా బదిలీ అవుతాయని ఒకరు ఆశించవచ్చు. అయితే, మా కొలతలు స్పష్టంగా రంధ్ర బదిలీ (<200 fs) ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ (~1 ps) కంటే చాలా సమర్థవంతంగా పనిచేస్తుందని చూపిస్తున్నాయి. Fig. 1Aలో వెల్లడించిన విధంగా WS2 మరియు గ్రాఫేన్ బ్యాండ్‌ల సాపేక్ష శక్తివంతమైన అమరికకు మేము దీనిని ఆపాదించాము, ఇది ఇటీవల (14, 15) ఊహించినట్లుగా ఎలక్ట్రాన్ బదిలీతో పోలిస్తే రంధ్ర బదిలీ కోసం అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితులను అందిస్తుంది. ప్రస్తుత సందర్భంలో, ∼2 eV WS2 బ్యాండ్‌గ్యాప్‌ను ఊహిస్తే, గ్రాఫేన్ డైరాక్ పాయింట్ మరియు సమతౌల్య రసాయన సంభావ్యత వరుసగా WS2 బ్యాండ్‌గ్యాప్ మధ్యలో ∼0.5 మరియు ∼0.2 eV పైన ఉన్నాయి, ఇది ఎలక్ట్రాన్-హోల్ సమరూపతను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది. రంధ్ర బదిలీకి అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే ~6 రెట్లు పెద్దదని మేము కనుగొన్నాము (అనుబంధ పదార్థాలను చూడండి), అందుకే రంధ్ర బదిలీ ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే వేగంగా ఉంటుందని భావిస్తున్నారు.

అయితే, గమనించిన అల్ట్రాఫాస్ట్ అసమాన ఛార్జ్ బదిలీ యొక్క పూర్తి సూక్ష్మదర్శిని చిత్రం, WS2లో A-ఎక్సిటాన్ వేవ్ ఫంక్షన్‌ను ఏర్పరిచే ఆర్బిటాళ్లు మరియు గ్రాఫేన్ π-బ్యాండ్ మధ్య అతివ్యాప్తిని కూడా పరిగణించాలి, వరుసగా, మొమెంటం, శక్తి, స్పిన్ మరియు సూడోస్పిన్ పరిరక్షణ ద్వారా విధించబడిన అడ్డంకులు, ప్లాస్మా డోలనాల ప్రభావం (33), అలాగే ఛార్జ్ బదిలీకి మధ్యవర్తిత్వం వహించే కోహెరెంట్ ఫోనాన్ డోలనాల యొక్క సాధ్యమైన డిస్ప్లేసివ్ ఉత్తేజిత పాత్రతో సహా వేర్వేరు ఎలక్ట్రాన్-ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఎలక్ట్రాన్-ఫోనాన్ వికీర్ణ ఛానెల్‌లు (34, 35). అలాగే, గమనించిన ఛార్జ్ బదిలీ స్థితిలో ఛార్జ్ బదిలీ ఎక్సిటాన్‌లు లేదా ఉచిత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలు ఉన్నాయా అని ఊహించవచ్చు (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ చూడండి). ఈ సమస్యలను స్పష్టం చేయడానికి ప్రస్తుత పత్రం యొక్క పరిధికి మించి మరిన్ని సైద్ధాంతిక పరిశోధనలు అవసరం.

సారాంశంలో, ఎపిటాక్సియల్ WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఇంటర్‌లేయర్ ఛార్జ్ బదిలీని అధ్యయనం చేయడానికి మేము tr-ARPESని ఉపయోగించాము. 2 eV వద్ద WS2 యొక్క A-ఎక్సిటాన్‌కు ప్రతిధ్వని వద్ద ఉత్తేజితమైనప్పుడు, ఫోటోఎక్సిటెడ్ రంధ్రాలు గ్రాఫేన్ పొరలోకి వేగంగా బదిలీ అవుతాయని మేము కనుగొన్నాము, అయితే ఫోటోఎక్సిటెడ్ ఎలక్ట్రాన్లు WS2 పొరలోనే ఉంటాయి. రంధ్రం బదిలీకి అందుబాటులో ఉన్న తుది స్థితుల సంఖ్య ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ కంటే పెద్దదిగా ఉండటం దీనికి కారణమని మేము కనుగొన్నాము. ఛార్జ్-వేరు చేయబడిన తాత్కాలిక స్థితి యొక్క జీవితకాలం ~1 ps అని కనుగొనబడింది. వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతిని (22–25) ఉపయోగించి స్పిన్-సెలెక్టివ్ ఆప్టికల్ ఉత్తేజితంతో కలిపి, గమనించిన అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ బదిలీ స్పిన్ బదిలీతో కలిసి ఉండవచ్చు. ఈ సందర్భంలో, పరిశోధించబడిన WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌ను గ్రాఫేన్‌లోకి సమర్థవంతమైన ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్ కోసం ఉపయోగించవచ్చు, దీని ఫలితంగా నవల ఆప్టోస్పింట్రోనిక్ 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. గీతలు తొలగించడానికి మరియు సాధారణ ఫ్లాట్ టెర్రస్‌లను పొందడానికి SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ను హైడ్రోజన్-ఎచెడ్ చేశారు. శుభ్రమైన మరియు అణుపరంగా ఫ్లాట్ అయిన Si-టెర్మినేటెడ్ ఉపరితలం Ar వాతావరణంలో 1300°C వద్ద 8 నిమిషాలు నమూనాను ఎనియల్ చేయడం ద్వారా గ్రాఫిటైజ్ చేయబడింది (36). ఈ విధంగా, మేము ఒకే కార్బన్ పొరను పొందాము, ఇక్కడ ప్రతి మూడవ కార్బన్ అణువు SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌కు సమయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది (37). ఈ పొరను హైడ్రోజన్ ఇంటర్కలేషన్ (38) ద్వారా పూర్తిగా sp2-హైబ్రిడైజ్డ్ క్వాసి ఫ్రీ-స్టాండింగ్ హోల్-డోప్డ్ గ్రాఫేన్‌గా మార్చారు. ఈ నమూనాలను గ్రాఫేన్/H-SiC(0001) అని పిలుస్తారు. మొత్తం ప్రక్రియను ఐక్స్ట్రాన్ నుండి వాణిజ్య బ్లాక్ మ్యాజిక్ గ్రోత్ చాంబర్‌లో నిర్వహించారు. WS2 వృద్ధిని ప్రామాణిక హాట్-వాల్ రియాక్టర్‌లో తక్కువ-పీడన రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (39, 40) ద్వారా 1:100 ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తి కలిగిన WO3 మరియు S పౌడర్‌లను పూర్వగాములుగా ఉపయోగించి నిర్వహించారు. WO3 మరియు S పౌడర్‌లను వరుసగా 900 మరియు 200°C వద్ద ఉంచారు. WO3 పౌడర్‌ను సబ్‌స్ట్రేట్‌కు దగ్గరగా ఉంచారు. ఆర్గాన్ 8 sccm ప్రవాహంతో క్యారియర్ వాయువుగా ఉపయోగించబడింది. రియాక్టర్‌లోని పీడనం 0.5 mbar వద్ద ఉంచబడింది. నమూనాలను సెకండరీ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ, అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ, రామన్ మరియు ఫోటోల్యూమినిసెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, అలాగే తక్కువ-శక్తి ఎలక్ట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్‌తో వర్గీకరించారు. ఈ కొలతలు రెండు వేర్వేరు WS2 సింగిల్-స్ఫటికాకార డొమైన్‌లను వెల్లడించాయి, ఇక్కడ ΓK- లేదా ΓK'-దిశ గ్రాఫేన్ పొర యొక్క ΓK-దిశతో సమలేఖనం చేయబడింది. డొమైన్ సైడ్ పొడవులు 300 మరియు 700 nm మధ్య మారుతూ ఉన్నాయి మరియు మొత్తం WS2 కవరేజ్ సుమారుగా ~40% కు అంచనా వేయబడింది, ఇది ARPES విశ్లేషణకు అనుకూలంగా ఉంటుంది.

ఎలక్ట్రాన్ శక్తి మరియు మొమెంటం యొక్క ద్విమితీయ గుర్తింపు కోసం ఛార్జ్-కపుల్డ్ డివైస్-డిటెక్టర్ సిస్టమ్‌ను ఉపయోగించి హెమిస్పెరికల్ ఎనలైజర్ (SPECS PHOIBOS 150)తో స్టాటిక్ ARPES ప్రయోగాలు జరిగాయి. అన్ని ఫోటోఎమిషన్ ప్రయోగాలకు హై-ఫ్లక్స్ He డిశ్చార్జ్ సోర్స్ (VG సైంటా VUV5000) యొక్క అన్‌పోలరైజ్డ్, మోనోక్రోమటిక్ He Iα రేడియేషన్ (21.2 eV) ఉపయోగించబడింది. మా ప్రయోగాలలో శక్తి మరియు కోణీయ రిజల్యూషన్ వరుసగా 30 meV మరియు 0.3° (0.01 Å−1కి అనుగుణంగా) కంటే మెరుగ్గా ఉన్నాయి. అన్ని ప్రయోగాలు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద నిర్వహించబడ్డాయి. ARPES అనేది చాలా ఉపరితల-సున్నితమైన సాంకేతికత. WS2 మరియు గ్రాఫేన్ పొర రెండింటి నుండి ఫోటోఎలక్ట్రాన్‌లను బయటకు తీయడానికి, ~40% అసంపూర్ణ WS2 కవరేజ్ ఉన్న నమూనాలను ఉపయోగించారు.

tr-ARPES సెటప్ 1-kHz టైటానియం:సఫైర్ యాంప్లిఫైయర్ (కోహెరెంట్ లెజెండ్ ఎలైట్ డ్యూయో) ఆధారంగా రూపొందించబడింది. ఆర్గాన్‌లో అధిక హార్మోనిక్స్ ఉత్పత్తికి 2 mJ అవుట్‌పుట్ పవర్ ఉపయోగించబడింది. ఫలితంగా వచ్చిన తీవ్రమైన అతినీలలోహిత కాంతి 26-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద 100-fs ప్రోబ్ పల్స్‌లను ఉత్పత్తి చేసే గ్రేటింగ్ మోనోక్రోమాటర్ ద్వారా ప్రవహించింది. 8mJ యాంప్లిఫైయర్ అవుట్‌పుట్ పవర్ ఆప్టికల్ పారామెట్రిక్ యాంప్లిఫైయర్ (లైట్ కన్వర్షన్ నుండి HE-TOPAS)లోకి పంపబడింది. 2-eV పంప్ పల్స్‌లను పొందడానికి 1-eV ఫోటాన్ శక్తి వద్ద సిగ్నల్ బీమ్‌ను బీటా బేరియం బోరేట్ క్రిస్టల్‌లో ఫ్రీక్వెన్సీ-రెట్టింపు చేశారు. tr-ARPES కొలతలు హెమిస్పెరికల్ ఎనలైజర్ (SPECS PHOIBOS 100)తో నిర్వహించబడ్డాయి. మొత్తం శక్తి మరియు తాత్కాలిక రిజల్యూషన్ వరుసగా 240 meV మరియు 200 fs.

ఈ వ్యాసం కోసం అనుబంధ మెటీరియల్ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1 లో అందుబాటులో ఉంది.

ఇది క్రియేటివ్ కామన్స్ అట్రిబ్యూషన్-వాణిజ్యేతర లైసెన్స్ నిబంధనల ప్రకారం పంపిణీ చేయబడిన ఓపెన్-యాక్సెస్ వ్యాసం, ఇది ఏ మాధ్యమంలోనైనా ఉపయోగం, పంపిణీ మరియు పునరుత్పత్తిని అనుమతిస్తుంది, ఫలిత ఉపయోగం వాణిజ్య ప్రయోజనం కోసం కానంత వరకు మరియు అసలు పనిని సరిగ్గా ఉదహరించినట్లయితే.

గమనిక: మీరు పేజీని సిఫార్సు చేస్తున్న వ్యక్తికి మీరు దానిని చూడాలని కోరుకున్నారని మరియు అది జంక్ మెయిల్ కాదని తెలియజేయడానికి మాత్రమే మేము మీ ఇమెయిల్ చిరునామాను అభ్యర్థిస్తాము. మేము ఏ ఇమెయిల్ చిరునామాను సంగ్రహించము.

మీరు మానవ సందర్శకులో కాదా అని పరీక్షించడానికి మరియు ఆటోమేటెడ్ స్పామ్ సమర్పణలను నిరోధించడానికి ఈ ప్రశ్న.

స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్‌ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్

WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనను మేము వెల్లడిస్తాము, ఇది గ్రాఫేన్‌లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్‌ను అనుమతిస్తుంది.

స్వెన్ ఈష్లిమాన్, ఆంటోనియో రోస్సీ, మరియానా చావెజ్-సెర్వంటెస్, రజ్వాన్ క్రాస్, బెనిటో ఆర్నాల్డి, బెంజమిన్ స్టాడ్‌ముల్లర్, మార్టిన్ ఎస్చ్లిమాన్, స్టివెన్ ఫోర్టీ, ఫిలిప్పో ఫాబ్రీ, కెమిల్లా కొలెట్టీ, ఇసాబెల్లా గిర్జ్

WS2/గ్రాఫేన్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లో అల్ట్రాఫాస్ట్ ఛార్జ్ విభజనను మేము వెల్లడిస్తాము, ఇది గ్రాఫేన్‌లోకి ఆప్టికల్ స్పిన్ ఇంజెక్షన్‌ను అనుమతిస్తుంది.

© 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.