หลักฐานทางตรงสำหรับการแยกประจุอัลตราฟาสต์ที่มีประสิทธิภาพในโครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีนแบบเอพิแทกเซียล

เราใช้การสเปกโตรสโคปีการปล่อยโฟโตแบบแยกเวลาและมุม (tr-ARPES) เพื่อตรวจสอบการถ่ายโอนประจุที่รวดเร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโรแบบเอพิแทกเซียลที่ทำจากโมโนเลเยอร์ WS2 และกราฟีน โครงสร้างเฮเทอโรนี้ผสมผสานข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างตรงที่มีการจับคู่สปิน-ออร์บิทที่แข็งแกร่งและปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารที่แข็งแกร่งกับประโยชน์ของเซมิเมทัลที่มีพาหะไร้มวลที่มีความคล่องตัวสูงมากและอายุสปินที่ยาวนาน เราพบว่าหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงที่เรโซแนนซ์กับเอกไซตอน A ใน WS2 รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะถ่ายโอนอย่างรวดเร็วเข้าไปในชั้นกราฟีนในขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงยังคงอยู่ในชั้น WS2 พบว่าสถานะชั่วคราวที่แยกประจุที่เกิดขึ้นมีอายุการใช้งานประมาณ 1 ps เราถือว่าการค้นพบของเราเกิดจากความแตกต่างในพื้นที่เฟสการกระเจิงที่เกิดจากการจัดตำแหน่งสัมพันธ์กันของแถบ WS2 และกราฟีนตามที่เปิดเผยโดย ARPES ความละเอียดสูง เมื่อใช้ร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปิน โครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีนที่ได้รับการตรวจสอบนี้อาจจัดเตรียมแพลตฟอร์มสำหรับการฉีดสปินแสงที่มีประสิทธิภาพเข้าไปในกราฟีน

วัสดุสองมิติที่มีให้เลือกมากมายทำให้สามารถสร้างโครงสร้างแบบเฮเทอโรสตรัคเจอร์ที่บางที่สุดแบบใหม่ๆ ที่มีฟังก์ชันการทำงานใหม่ทั้งหมดโดยอาศัยการคัดกรองไดอิเล็กตริกแบบกำหนดเองและเอฟเฟกต์ที่เกิดจากความใกล้ชิดต่างๆ (1–3) อุปกรณ์พิสูจน์หลักการสำหรับการใช้งานในอนาคตในสาขาอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้เกิดขึ้นจริงแล้ว (4–6)

ที่นี่ เราเน้นที่โครงสร้างเฮเทอโรของเอพิแทกเซียลแวนเดอร์วาลส์ซึ่งประกอบด้วยโมโนเลเยอร์ WS2 ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างตรงที่มีการจับคู่สปิน-ออร์บิทที่แข็งแกร่งและการแยกสปินของโครงสร้างแถบในปริมาณมากเนื่องจากสมมาตรการกลับด้านที่ขาดหายไป (7) และโมโนเลเยอร์กราฟีน ซึ่งเป็นเซมิเมทัลที่มีโครงสร้างแถบทรงกรวยและการเคลื่อนที่ของพาหะที่สูงมาก (8) ที่ปลูกบน SiC ที่ปลายไฮโดรเจน (0001) ข้อบ่งชี้แรกสำหรับการถ่ายโอนประจุที่รวดเร็วเป็นพิเศษ (9–15) และเอฟเฟกต์การจับคู่สปิน-ออร์บิทที่เหนี่ยวนำโดยความใกล้ชิด (16–18) ทำให้ WS2/กราฟีนและโครงสร้างเฮเทอโรที่คล้ายคลึงกันมีแนวโน้มที่จะเป็นตัวเลือกสำหรับแอพพลิเคชั่นออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต (19) และออปโตสปินทรอนิกส์ (20)

เรามุ่งมั่นที่จะเปิดเผยเส้นทางการผ่อนคลายของคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากแสงใน WS2/กราฟีนด้วยสเปกโตรสโคปีการปล่อยโฟโตที่แยกตามเวลาและมุม (tr-ARPES) เพื่อจุดประสงค์นั้น เรากระตุ้นโครงสร้างแบบเฮเทอโรสตรัคเจอร์ด้วยพัลส์ปั๊ม 2-eV ที่สั่นพ้องกับเอกไซตอน A ใน WS2 (21, 12) และดีดโฟโตอิเล็กตรอนออกด้วยพัลส์โพรบที่หน่วงเวลาเป็นครั้งที่สองที่พลังงานโฟตอน 26-eV เรากำหนดพลังงานจลน์และมุมการปล่อยของโฟโตอิเล็กตรอนด้วยเครื่องวิเคราะห์ทรงครึ่งซีกเป็นฟังก์ชันของความล่าช้าของปั๊ม-โพรบเพื่อเข้าถึงไดนามิกของพาหะที่แยกตามโมเมนตัม พลังงาน และเวลา ความละเอียดของพลังงานและเวลาคือ 240 meV และ 200 fs ตามลำดับ

ผลลัพธ์ของเราให้หลักฐานโดยตรงสำหรับการถ่ายโอนประจุที่เร็วมากระหว่างชั้นที่เรียงกันแบบเอพิแทกเซียล ซึ่งยืนยันข้อบ่งชี้แรกตามเทคนิคออปติคัลทั้งหมดในโครงสร้างเฮเทอโรที่ประกอบขึ้นด้วยมือที่คล้ายกันโดยมีการจัดแนวแนวราบตามอำเภอใจของชั้น (9–15) นอกจากนี้ เรายังแสดงให้เห็นว่าการถ่ายโอนประจุนี้ไม่สมมาตรอย่างมาก การวัดของเราเผยให้เห็นสถานะชั่วคราวที่แยกประจุซึ่งไม่เคยสังเกตมาก่อนโดยมีอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงตั้งอยู่ในชั้น WS2 และกราฟีนตามลำดับ ซึ่งมีอายุประมาณ 1 ps เราตีความผลการค้นพบของเราในแง่ของความแตกต่างในพื้นที่เฟสกระเจิงสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากการจัดแนวสัมพันธ์กันของแถบ WS2 และกราฟีนตามที่เปิดเผยโดย ARPES ความละเอียดสูง เมื่อรวมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปินและวัลเลย์ (22–25) โครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีนอาจให้แพลตฟอร์มใหม่สำหรับการฉีดสปินออปติคัลที่รวดเร็วอย่างมีประสิทธิภาพลงในกราฟีน

รูปที่ 1A แสดงการวัด ARPES ความละเอียดสูงที่ได้จากหลอดไฟฮีเลียมของโครงสร้างแถบตามทิศทาง ΓK ของโครงสร้างเฮเทอโรของ WS2/กราฟีนแบบเอพิแทกเซียล พบว่ากรวยของดิแรกถูกเจือปนด้วยรูโดยที่จุดของดิแรกอยู่สูงกว่าศักย์เคมีสมดุลประมาณ 0.3 eV พบว่าส่วนบนสุดของแถบวาเลนซ์ WS2 ที่แยกสปินอยู่ต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุลประมาณ 1.2 eV

(A) โฟโตเคอร์เรนต์สมดุลที่วัดตามทิศทาง ΓK โดยใช้หลอดฮีเลียมที่ไม่ได้ผ่านโพลาไรซ์ (B) โฟโตเคอร์เรนต์สำหรับดีเลย์ปั๊ม-โพรบเชิงลบที่วัดด้วยพัลส์อัลตราไวโอเลตโพลาไรซ์ p ที่พลังงานโฟตอน 26 eV เส้นประสีเทาและสีแดงแสดงตำแหน่งของโปรไฟล์เส้นที่ใช้ในการแยกตำแหน่งพีคชั่วขณะในรูปที่ 2 (C) การเปลี่ยนแปลงโฟโตเคอร์เรนต์ที่เหนี่ยวนำโดยปั๊ม 200 fs หลังจากการกระตุ้นด้วยแสงที่พลังงานโฟตอนของปั๊ม 2 eV ด้วยฟลักซ์ของปั๊ม 2 mJ/cm2 การเพิ่มและการสูญเสียของโฟโตอิเล็กตรอนจะแสดงเป็นสีแดงและสีน้ำเงินตามลำดับ กล่องแสดงพื้นที่การผสานรวมสำหรับรอยปั๊ม-โพรบที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 1B แสดงภาพรวม tr-ARPES ของโครงสร้างแถบใกล้กับ WS2 และจุด K ของกราฟีนที่วัดด้วยพัลส์อัลตราไวโอเลตสุดขั้ว 100 fs ที่พลังงานโฟตอน 26 eV ที่การหน่วงเวลาปั๊ม-โพรบเชิงลบก่อนที่พัลส์ปั๊มจะมาถึง ในที่นี้ การแยกสปินไม่ได้รับการแก้ไขเนื่องจากความเสื่อมสภาพของตัวอย่างและการมีอยู่ของพัลส์ปั๊ม 2 eV ที่ทำให้ประจุในอวกาศของคุณสมบัติสเปกตรัมขยายตัว รูปที่ 1C แสดงการเปลี่ยนแปลงโฟโตเคอร์เรนต์ที่เหนี่ยวนำโดยปั๊มเทียบกับรูปที่ 1B ที่การหน่วงเวลาปั๊ม-โพรบ 200 fs ซึ่งสัญญาณปั๊ม-โพรบถึงจุดสูงสุด สีแดงและสีน้ำเงินแสดงถึงการเพิ่มขึ้นและการสูญเสียของโฟโตอิเล็กตรอนตามลำดับ

เพื่อวิเคราะห์พลวัตอันอุดมสมบูรณ์นี้ในรายละเอียดเพิ่มเติม ก่อนอื่นเราจะกำหนดตำแหน่งจุดสูงสุดชั่วคราวของแถบวาเลนซ์ WS2 และแถบ π ของกราฟีนตามเส้นประในรูปที่ 1B ตามที่อธิบายไว้โดยละเอียดในเอกสารเสริม เราพบว่าแถบวาเลนซ์ WS2 เลื่อนขึ้น 90 meV (รูปที่ 2A) และแถบ π ของกราฟีนเลื่อนลง 50 meV (รูปที่ 2B) พบว่าอายุขัยแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลของการเลื่อนเหล่านี้คือ 1.2 ± 0.1 ps สำหรับแถบวาเลนซ์ของ WS2 และ 1.7 ± 0.3 ps สำหรับแถบ π ของกราฟีน การเลื่อนจุดสูงสุดเหล่านี้เป็นหลักฐานแรกของการชาร์จชั่วคราวของสองชั้น ซึ่งประจุบวก (ลบ) เพิ่มเติมจะเพิ่ม (ลด) พลังงานยึดเหนี่ยวของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ โปรดทราบว่าการเลื่อนขึ้นของแถบวาเลนซ์ WS2 รับผิดชอบต่อสัญญาณปั๊ม-โพรบที่เด่นชัดในพื้นที่ที่ทำเครื่องหมายด้วยกล่องดำในรูปที่ 1C

การเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งพีคของแถบวาเลนซ์ WS2 (A) และแถบ π ของกราฟีน (B) เป็นฟังก์ชันของความล่าช้าของปั๊ม-โพรบร่วมกับการปรับแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล (เส้นหนา) อายุการใช้งานของการเลื่อน WS2 ใน (A) คือ 1.2 ± 0.1 ps อายุการใช้งานของการเลื่อนของกราฟีนใน (B) คือ 1.7 ± 0.3 ps

จากนั้น เราจะรวมสัญญาณปั๊ม-โพรบเหนือพื้นที่ที่ระบุด้วยกล่องสีในรูปที่ 1C และพล็อตจำนวนที่ได้เป็นฟังก์ชันของความล่าช้าของปั๊ม-โพรบในรูปที่ 3 กราฟ 1 ในรูปที่ 3 แสดงพลวัตของพาหะที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงใกล้กับด้านล่างของแถบการนำของชั้น WS2 ซึ่งมีอายุการใช้งาน 1.1 ± 0.1 ps ที่ได้จากการปรับข้อมูลแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล (ดูเอกสารเสริม)

รอยปั๊ม-โพรบเป็นฟังก์ชันของความล่าช้าที่ได้จากการรวมโฟโตเคอร์เรนต์เหนือพื้นที่ที่ระบุโดยกล่องในรูปที่ 1C เส้นหนาเป็นเส้นที่พอดีกับข้อมูลแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล กราฟีน (1) ประชากรของพาหะชั่วคราวในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 กราฟีน (2) สัญญาณปั๊ม-โพรบของแถบ π ของกราฟีนเหนือศักย์เคมีสมดุล กราฟีน (3) สัญญาณปั๊ม-โพรบของแถบ π ของกราฟีนต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุล กราฟีน (4) สัญญาณปั๊ม-โพรบสุทธิในแถบวาเลนซ์ของ WS2 พบว่าอายุการใช้งานคือ 1.2 ± 0.1 ps ใน (1), 180 ± 20 fs (อัตราขยาย) และประมาณ 2 ps (การสูญเสีย) ใน (2) และ 1.8 ± 0.2 ps ใน (3)

ในกราฟีนกราฟีน π-แบนด์ในกราฟีน 2 และ 3 พบว่าค่าที่เพิ่มขึ้นของอิเล็กตรอนเหนือศักย์เคมีสมดุล (กราฟีน 2 ในกราฟีน 3) มีอายุสั้นกว่ามาก (180 ± 20 fs) เมื่อเทียบกับการสูญเสียอิเล็กตรอนต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุล (1.8 ± 0.2 ps ในกราฟีน 3) นอกจากนี้ ยังพบว่าค่าที่เพิ่มขึ้นเริ่มต้นของโฟโตเคอร์เรนต์ในกราฟีน 2 ในกราฟีน 3 เปลี่ยนเป็นการสูญเสียที่ t = 400 fs โดยมีอายุการใช้งานประมาณ 2 ps พบว่าความไม่สมมาตรระหว่างค่าที่เพิ่มขึ้นและการสูญเสียไม่มีอยู่ในสัญญาณของกราฟีนโมโนเลเยอร์ที่ไม่ได้ปิดบัง (ดูรูป S5 ในเอกสารเสริม) ซึ่งบ่งชี้ว่าความไม่สมมาตรนี้เป็นผลมาจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเยอร์ในโครงสร้างเฮเทอโรของ WS2/กราฟีน การสังเกตการเพิ่มขึ้นในระยะสั้นและการสูญเสียในระยะยาวเหนือและต่ำกว่าศักย์เคมีสมดุลตามลำดับ แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนถูกกำจัดออกจากชั้นกราฟีนอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเกิดการกระตุ้นด้วยแสงของโครงสร้างต่างชนิด เป็นผลให้ชั้นกราฟีนมีประจุบวก ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานยึดเหนี่ยวของแถบ π ที่พบในรูปที่ 2B การเลื่อนลงของแถบ π จะกำจัดหางพลังงานสูงของการกระจายแฟร์มี-ดิแรกสมดุลออกจากเหนือศักย์เคมีสมดุล ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงเครื่องหมายของสัญญาณปั๊ม-โพรบในเส้นโค้ง 2 ของรูปที่ 3 ได้บางส่วน เราจะแสดงให้เห็นด้านล่างว่าผลกระทบนี้ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมด้วยการสูญเสียอิเล็กตรอนชั่วคราวในแถบ π

สถานการณ์นี้ได้รับการสนับสนุนจากสัญญาณปั๊ม-โพรบสุทธิของแถบวาเลนซ์ WS2 ในเส้นโค้ง 4 ของรูปที่ 3 ข้อมูลเหล่านี้ได้รับจากการผสานรวมจำนวนนับเหนือพื้นที่ที่กำหนดโดยกล่องดำในรูปที่ 1B ซึ่งจับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแถบวาเลนซ์ที่ความล่าช้าของปั๊ม-โพรบทั้งหมด ภายในแถบข้อผิดพลาดของการทดลอง เราไม่พบข้อบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของรูในแถบวาเลนซ์ของ WS2 สำหรับความล่าช้าของปั๊ม-โพรบใดๆ ซึ่งบ่งชี้ว่าหลังจากการกระตุ้นด้วยแสง รูเหล่านี้จะเติมเต็มอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาที่สั้นกว่าความละเอียดเชิงเวลาของเรา

เพื่อเป็นหลักฐานสุดท้ายสำหรับสมมติฐานของเราเกี่ยวกับการแยกประจุแบบอัลตราฟาสต์ในโครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีน เราได้กำหนดจำนวนรูที่ถ่ายโอนไปยังชั้นกราฟีนตามที่อธิบายไว้โดยละเอียดในเอกสารเสริม กล่าวโดยย่อ การกระจายอิเล็กตรอนชั่วคราวของแถบ π ได้ถูกทำให้พอดีกับการกระจายแฟร์มี-ดิแรก จากนั้นจึงคำนวณจำนวนรูจากค่าที่ได้สำหรับศักย์เคมีชั่วคราวและอุณหภูมิอิเล็กทรอนิกส์ ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4 เราพบว่าจำนวนรูทั้งหมดประมาณ 5 × 1012 รู/ซม.2 ถูกถ่ายโอนจาก WS2 ไปยังกราฟีนโดยมีอายุการใช้งานแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลที่ 1.5 ± 0.2 ps

การเปลี่ยนแปลงของจำนวนรูในแบนด์ π เป็นฟังก์ชันของความล่าช้าของปั๊ม-โพรบร่วมกับการปรับแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่ให้ผลเป็นอายุการใช้งาน 1.5 ± 0.2 ps

จากการค้นพบในรูปที่ 2 ถึง 4 จะเห็นภาพจุลทรรศน์ต่อไปนี้สำหรับการถ่ายโอนประจุที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีน (รูปที่ 5) การกระตุ้นด้วยแสงของโครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีนที่ 2 eV มีอยู่ทั่วไปในเอกไซตอน A ใน WS2 (รูปที่ 5A) การกระตุ้นด้วยแสงเพิ่มเติมที่จุดดิแรกในกราฟีน รวมถึงระหว่างแถบ WS2 และกราฟีนนั้นสามารถทำได้ด้วยพลังงาน แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามาก รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบวาเลนซ์ของ WS2 จะถูกเติมใหม่โดยอิเล็กตรอนที่มาจากแถบ π ของกราฟีนในช่วงเวลาที่สั้นกว่าความละเอียดเชิงเวลาของเรา (รูปที่ 5A) อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบการนำของ WS2 มีอายุขัยประมาณ 1 ps (รูปที่ 5B) อย่างไรก็ตาม ใช้เวลาประมาณ 2 ps ในการเติมรูในแถบ π ของกราฟีน (รูปที่ 5B) สิ่งนี้บ่งชี้ว่า นอกเหนือจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรงระหว่างแถบการนำไฟฟ้า WS2 และแถบ π ของกราฟีนแล้ว ยังต้องพิจารณาเส้นทางการผ่อนคลายเพิ่มเติมด้วย ซึ่งอาจผ่านสถานะข้อบกพร่อง (26) เพื่อทำความเข้าใจพลวัตทั้งหมด

(A) การกระตุ้นด้วยแสงที่จุดเรโซแนนซ์กับเอกไซตอน A ของ WS2 ที่ 2 eV จะฉีดอิเล็กตรอนเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 โฮลที่สอดคล้องกันในแถบวาเลนซ์ของ WS2 จะถูกอิเล็กตรอนจากแถบ π ของกราฟีนเติมเต็มทันที (B) ตัวพาที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 มีอายุการใช้งานประมาณ 1 ps โฮลในแถบ π ของกราฟีนมีอายุประมาณ 2 ps ซึ่งบ่งบอกถึงความสำคัญของช่องกระเจิงเพิ่มเติมที่ระบุด้วยลูกศรประประ เส้นประสีดำใน (A) และ (B) แสดงถึงการเลื่อนของแถบและการเปลี่ยนแปลงศักย์เคมี (C) ในสถานะชั่วคราว ชั้น WS2 จะมีประจุลบในขณะที่ชั้นกราฟีนจะมีประจุบวก สำหรับการกระตุ้นแบบเลือกสปินด้วยแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม คาดว่าอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงใน WS2 และโฮลที่สอดคล้องกันในกราฟีนจะแสดงโพลาไรซ์ของสปินที่ตรงกันข้าม

ในสถานะชั่วคราว อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะอยู่ในแถบการนำไฟฟ้าของ WS2 ในขณะที่รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะอยู่ในแถบ π ของกราฟีน (รูปที่ 5C) ซึ่งหมายความว่าชั้น WS2 มีประจุลบและชั้นกราฟีนมีประจุบวก ซึ่งเป็นสาเหตุของการเลื่อนจุดสูงสุดชั่วคราว (รูปที่ 2) ความไม่สมมาตรของสัญญาณปั๊ม-โพรบกราฟีน (เส้นโค้ง 2 และ 3 ของรูปที่ 3) การไม่มีรูในแถบวาเลนซ์ของ WS2 (เส้นโค้ง 4 รูปที่ 3) เช่นเดียวกับรูเพิ่มเติมในแถบ π ของกราฟีน (รูปที่ 4) อายุการใช้งานของสถานะที่แยกประจุนี้คือประมาณ 1 ps (เส้นโค้ง 1 รูปที่ 3)

สถานะชั่วคราวที่แยกประจุที่คล้ายกันนี้พบได้ในโครงสร้างเฮเทอโรของแวนเดอร์วาลส์ที่เกี่ยวข้องซึ่งทำจากเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างตรงสองตัวที่มีการจัดตำแหน่งแบนด์ประเภท II และช่องว่างแบนด์สลับกัน (27–32) หลังจากการกระตุ้นด้วยแสง พบว่าอิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปยังด้านล่างของแถบการนำและไปยังด้านบนของแถบวาเลนซ์ตามลำดับ ซึ่งตั้งอยู่ในชั้นต่างๆ ของโครงสร้างเฮเทอโร (27–32)

ในกรณีของโครงสร้างเฮเทอโร WS2/กราฟีนของเรา ตำแหน่งที่เอื้ออำนวยด้านพลังงานมากที่สุดสำหรับทั้งอิเล็กตรอนและโฮลอยู่ที่ระดับแฟร์มีในชั้นกราฟีนโลหะ ดังนั้น จึงคาดหวังได้ว่าทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะถ่ายโอนไปยังแถบ π ของกราฟีนอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม การวัดของเราแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการถ่ายโอนโฮล (<200 fs) มีประสิทธิภาพมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน (ประมาณ 1 ps) มาก เราถือว่าสิ่งนี้เกิดจากการจัดเรียงพลังงานสัมพันธ์ของแถบ WS2 และกราฟีนตามที่แสดงในรูปที่ 1A ซึ่งให้สถานะสุดท้ายที่พร้อมใช้งานสำหรับการถ่ายโอนโฮลมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนตามที่คาดการณ์ไว้ล่าสุดโดย (14, 15) ในกรณีนี้ หากถือว่ามีแบนด์แก๊ป WS2 ประมาณ 2 eV จุด Dirac ของกราฟีนและศักย์เคมีสมดุลจะอยู่ที่ประมาณ 0.5 และ 0.2 eV เหนือจุดกึ่งกลางของแบนด์แก๊ป WS2 ตามลำดับ ซึ่งทำลายสมมาตรอิเล็กตรอน-โฮล เราพบว่าจำนวนสถานะสุดท้ายที่มีอยู่สำหรับการถ่ายโอนหลุมนั้นมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนประมาณ 6 เท่า (ดูเอกสารเสริม) ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมการถ่ายโอนหลุมจึงคาดว่าจะเร็วกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน

อย่างไรก็ตาม ภาพจุลทรรศน์ที่สมบูรณ์ของการถ่ายโอนประจุที่ไม่สมมาตรแบบอัลตราฟาสต์ที่สังเกตได้นั้น ควรพิจารณาการเหลื่อมซ้อนกันระหว่างวงโคจรที่ประกอบเป็นฟังก์ชันคลื่นเอกไซตอน A ใน WS2 และแถบ π ของกราฟีน ตามลำดับ ช่องกระเจิงอิเล็กตรอน-อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอน-โฟนอนที่แตกต่างกัน รวมถึงข้อจำกัดที่กำหนดโดยการอนุรักษ์โมเมนตัม พลังงาน สปิน และซูโดสปิน อิทธิพลของการสั่นของพลาสมา (33) เช่นเดียวกับบทบาทของการกระตุ้นการกระจัดที่เป็นไปได้ของการสั่นของโฟนอนที่สอดคล้องกันซึ่งอาจเป็นตัวกลางในการถ่ายโอนประจุ (34, 35) นอกจากนี้ อาจมีการคาดเดาว่าสถานะการถ่ายโอนประจุที่สังเกตได้ประกอบด้วยเอกไซตอนการถ่ายโอนประจุหรือคู่อิเล็กตรอนอิสระ-โฮล (ดูเอกสารเสริม) จำเป็นต้องมีการสืบสวนทางทฤษฎีเพิ่มเติมที่เกินขอบเขตของเอกสารฉบับนี้เพื่อชี้แจงประเด็นเหล่านี้

โดยสรุป เราได้ใช้ tr-ARPES เพื่อศึกษาการถ่ายโอนประจุระหว่างชั้นที่เร็วมากในโครงสร้างเฮเทอโรสตรัคเจอร์แบบเอพิแทกเซียล WS2/กราฟีน เราพบว่า เมื่อถูกกระตุ้นที่จุดเรโซแนนซ์ต่อเอกไซตอน A ของ WS2 ที่ 2 eV รูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะถ่ายโอนอย่างรวดเร็วเข้าไปในชั้นกราฟีนในขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงยังคงอยู่ในชั้น WS2 เราคิดว่าเป็นเพราะจำนวนสถานะสุดท้ายที่พร้อมใช้งานสำหรับการถ่ายโอนรูนั้นมากกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอน พบว่าอายุขัยของสถานะชั่วคราวที่แยกประจุคือประมาณ 1 ps เมื่อใช้ร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเลือกสปินโดยใช้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลม (22–25) การถ่ายโอนประจุเร็วมากที่สังเกตพบอาจมาพร้อมกับการถ่ายโอนสปิน ในกรณีนี้ โครงสร้างเฮเทอโรสตรัคเจอร์ WS2/กราฟีนที่ตรวจสอบอาจใช้สำหรับการฉีดสปินแสงที่มีประสิทธิภาพเข้าไปในกราฟีน ซึ่งส่งผลให้เกิดอุปกรณ์ออปโตสปินโทรนิกส์แบบใหม่

ตัวอย่างกราฟีนถูกปลูกบนเวเฟอร์ 6H-SiC(0001) เซมิคอนดักเตอร์เชิงพาณิชย์จาก SiCrystal GmbH เวเฟอร์ที่เติมสารโดป N นั้นอยู่บนแกนโดยมีส่วนตัดที่ตัดออกต่ำกว่า 0.5° พื้นผิว SiC ถูกกัดด้วยไฮโดรเจนเพื่อลบรอยขีดข่วนและให้ได้ชั้นแบนเรียบสม่ำเสมอ จากนั้นพื้นผิวที่เติมสารโดป Si ที่สะอาดและแบนราบในระดับอะตอมจะถูกทำให้เป็นกราฟีนโดยการอบตัวอย่างในบรรยากาศอาร์กอนที่อุณหภูมิ 1,300°C เป็นเวลา 8 นาที (36) วิธีนี้ทำให้เราได้ชั้นคาร์บอนชั้นเดียวซึ่งอะตอมคาร์บอนทุกๆ 3 อะตอมจะสร้างพันธะโควาเลนต์กับพื้นผิว SiC (37) จากนั้นชั้นนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นกราฟีนที่เติมสารโดปรูแบบกึ่งอิสระที่ไฮบริด sp2 อย่างสมบูรณ์ผ่านการแทรกไฮโดรเจน (38) ตัวอย่างเหล่านี้เรียกว่ากราฟีน/H-SiC(0001) กระบวนการทั้งหมดดำเนินการในห้องเพาะเลี้ยง Black Magic เชิงพาณิชย์จาก Aixtron การเจริญเติบโตของ WS2 ดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์ผนังร้อนมาตรฐานโดยการสะสมไอเคมีแรงดันต่ำ (39, 40) โดยใช้ผง WO3 และ S ที่มีอัตราส่วนมวล 1:100 เป็นสารตั้งต้น ผง WO3 และ S ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิ 900 และ 200°C ตามลำดับ ผง WO3 ถูกวางไว้ใกล้กับสารตั้งต้น อาร์กอนถูกใช้เป็นก๊าซพาหะที่มีอัตราการไหล 8 sccm ความดันในเครื่องปฏิกรณ์ถูกคงไว้ที่ 0.5 mbar ตัวอย่างถูกระบุลักษณะด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทุติยภูมิ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม รามาน และสเปกโตรสโคปีโฟโตลูมิเนสเซนซ์ รวมถึงการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ การวัดเหล่านี้เผยให้เห็นโดเมนผลึกเดี่ยว WS2 ที่แตกต่างกันสองโดเมน โดยที่ทิศทาง ΓK หรือ ΓK' จะจัดตำแหน่งให้ตรงกับทิศทาง ΓK ของชั้นกราฟีน ความยาวด้านโดเมนแตกต่างกันระหว่าง 300 ถึง 700 นาโนเมตร และการครอบคลุม WS2 ทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 40% ซึ่งเหมาะสำหรับการวิเคราะห์ ARPES

การทดลอง ARPES แบบคงที่ดำเนินการโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ทรงครึ่งซีก (SPECS PHOIBOS 150) โดยใช้ระบบอุปกรณ์ตรวจจับแบบประจุคู่สำหรับการตรวจจับพลังงานอิเล็กตรอนและโมเมนตัมในสองมิติ รังสีฮีเลียม Iα แบบโมโนโครเมติกที่ไม่ผ่านโพลาไรซ์ (21.2 eV) ของแหล่งกำเนิดการปลดปล่อยฮีเลียมที่มีฟลักซ์สูง (VG Scienta VUV5000) ถูกใช้สำหรับการทดลองการปลดปล่อยโฟโตทั้งหมด พลังงานและความละเอียดเชิงมุมในการทดลองของเราดีกว่า 30 meV และ 0.3° (เทียบเท่ากับ 0.01 Å−1) ตามลำดับ การทดลองทั้งหมดดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง ARPES เป็นเทคนิคที่ไวต่อพื้นผิวเป็นอย่างยิ่ง ในการดีดโฟโตอิเล็กตรอนออกจากทั้ง WS2 และชั้นกราฟีน จะใช้ตัวอย่างที่มีการครอบคลุม WS2 ไม่สมบูรณ์ประมาณ 40%

การตั้งค่า tr-ARPES ขึ้นอยู่กับเครื่องขยายสัญญาณไททาเนียม:แซฟไฟร์ 1 กิโลเฮิรตซ์ (Coherent Legend Elite Duo) กำลังส่งออก 2 มิลลิจูลสำหรับการสร้างฮาร์มอนิกสูงในอาร์กอน แสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงที่เกิดขึ้นจะผ่านโมโนโครเมเตอร์แบบกริดซึ่งผลิตพัลส์โพรบ 100-fs ที่พลังงานโฟตอน 26-eV กำลังส่งออกของเครื่องขยายสัญญาณ 8 มิลลิจูลถูกส่งไปยังเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริกออปติก (HE-TOPAS จาก Light Conversion) ลำแสงสัญญาณที่พลังงานโฟตอน 1-eV ถูกเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าในผลึกเบตาแบเรียมโบเรตเพื่อให้ได้พัลส์ปั๊ม 2-eV การวัด tr-ARPES ดำเนินการโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ทรงครึ่งซีก (SPECS PHOIBOS 100) พลังงานโดยรวมและความละเอียดเชิงเวลาคือ 240 meV และ 200 fs ตามลำดับ

เนื้อหาเสริมสำหรับบทความนี้สามารถดูได้ที่ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/20/eaay0761/DC1

นี่คือบทความแบบเข้าถึงเปิดที่เผยแพร่ภายใต้ข้อกำหนดของใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์แสดงที่มา-ไม่ใช้ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดก็ได้ ตราบใดที่การใช้งานที่เกิดขึ้นไม่ใช่เพื่อผลประโยชน์ทางการค้า และต้องอ้างอิงผลงานต้นฉบับอย่างถูกต้อง

หมายเหตุ: เราขอที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้บุคคลที่คุณแนะนำเพจให้ทราบว่าคุณต้องการให้เขาเห็นเพจของคุณ และไม่ใช่อีเมลขยะ เราจะไม่เก็บที่อยู่อีเมลใดๆ

คำถามนี้เพื่อทดสอบว่าคุณเป็นผู้เยี่ยมชมมนุษย์หรือไม่ และเพื่อป้องกันการส่งสแปมโดยอัตโนมัติ

โดย สเวน เอสชลิมันน์, อันโตนิโอ รอสซี, มาเรียนา ชาเวซ-เซร์บันเตส, ราซวาน เคราส์, เบนิโต อาร์โนลดี, เบนจามิน สตัดท์มุลเลอร์, มาร์ติน เอสชลิมันน์, สตีเวน ฟอร์ติ, ฟิลิปโป ฟาบบรี, คามิลล่า โคเล็ตติ, อิซาเบลลา เกียร์ซ

เราเปิดเผยการแยกประจุเร็วมากในโครงสร้างแบบเฮเทอโร WS2/กราฟีน ซึ่งอาจทำให้สามารถฉีดสปินแบบออปติคอลเข้าไปในกราฟีนได้

โดย สเวน เอสชลิมันน์, อันโตนิโอ รอสซี, มาเรียนา ชาเวซ-เซร์บันเตส, ราซวาน เคราส์, เบนิโต อาร์โนลดี, เบนจามิน สตัดท์มุลเลอร์, มาร์ติน เอสชลิมันน์, สตีเวน ฟอร์ติ, ฟิลิปโป ฟาบบรี, คามิลล่า โคเล็ตติ, อิซาเบลลา เกียร์ซ

เราเปิดเผยการแยกประจุเร็วมากในโครงสร้างแบบเฮเทอโร WS2/กราฟีน ซึ่งอาจทำให้สามารถฉีดสปินแบบออปติคอลเข้าไปในกราฟีนได้

© 2020 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ สงวนลิขสิทธิ์. AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548