[論文レビュー] Tuning of Interlayer Coupling in Large-Area Graphene/WSe2 van der Waals Heterostructure via Ion Irradiation: Optical Evidences and Photonic Applications

Yang Tan, Xiaobiao Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

2D Materials and Applications参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、イオンビーム照射が、グラフェンの表面形態を変化させることで、大面積グラフェン/WSe2ファンデルワールスヘテロ構造における層間結合を効果的に調整できることを示している。これにより界面接触が向上し、制御された電子移動が可能になる。光学的測定では、可変な光励起発光および非線形吸収が観測され、照射されたヘテロ構造をサチュレータ吸収体として用いたNd:YAG波ガイドレーザー共振器で最適化されたQスイッチドパルスレーザー発振が達成された。

ABSTRACT

Van der Waals (vdW) heterostructures are receiving great attentions due to their intriguing properties and potentials in many research fields. The flow of charge carriers in vdW heterostructures can be efficiently rectified by the inter-layer coupling between neighboring layers, offering a rich collection of functionalities and a mechanism for designing atomically thin devices. Nevertheless, non-uniform contact in larger-area heterostructures reduces the device efficiency. In this work, ion irradiation had been verified as an efficient technique to enhance the contact and interlayer coupling in the newly developed graphene/WSe2 hetero-structure with a large area of 10 mm x 10 mm. During the ion irradiation process, the morphology of monolayer graphene had been modified, promoting the contact with WSe2. Experimental evidences of the tunable interlayer electron transfer are displayed by investigation of photoluminescence and ultrafast absorption of the irradiated heterostructure. Besides, we have found that in graphene/WSe2 heterostructure, graphene serves as a fast channel for the photo-excited carriers to relax in WSe2, and the nonlinear absorption of WSe2 could be effectively tuned by the carrier transfer process in graphene, enabling specific optical absorption of the heterostructure in comparison with separated graphene or WSe2. On the basis of these new findings, by applying the ion beam modified graphene/WSe2 heterostructure as a saturable absorber, Q-switched pulsed lasing with optimized performance has been realized in a Nd:YAG waveguide cavity. This work paves the way towards developing novel devices based on large-area heterostructures by using ion beam irradiation.

研究の動機と目的

• 大面積ファンデルワールスヘテロ構造における不均一な層間接触がデバイス効率を制限する問題に対処すること。
• イオンビーム照射を用いたスケーラブルな手法として、グラフェン/WSe2ヘテロ構造における層間結合と界面接触を設計可能にすることの探求。
• イオン照射されたグラフェン/WSe2ヘテロ構造における光学的応答およびキャリアダイナミクスを、光デバイス応用を想定して調査すること。
• 改変されたヘテロ構造をサチュレータ吸収体として用いることで、実用的な光デバイス統合を実証すること。

提案手法

• 大面積（10 mm × 10 mm）のモノレイヤー・グラフェンをWSe2上に適用し、表面形態を変化させ、界面接触を向上させるためにイオンビーム照射を実施した。
• 層間電子移動およびキャリア緩和ダイナミクスを調査するために、光励起発光分光法および超高速一時的吸収測定を用いた。
• グラフェンの存在下でのWSe2の非線形光学的応答を分析し、グラフェンからWSe2へのキャリア移動効果に注目した。
• イオン照射されたグラフェン/WSe2ヘテロ構造をサチュレータ吸収体として用いたNd:YAG波ガイドレーザー共振器を構築し、Qスイッチドパルスレーザー発振を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンビーム照射は、大面積グラフェン/WSe2ファンデルワールスヘテロ構造における層間結合および界面接触を効果的に向上させることができるか？
• RQ2 グラフェンのイオン誘起改質が、ヘテロ構造における層間電子移動および光学的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 照射されたヘテロ構造において、グラフェンからのキャリア注入によってWSe2の非線形吸収をどの程度制御できるか？
• RQ4 イオン照射されたグラフェン/WSe2ヘテロ構造は、Qスイッチドパルスレーザー動作の効率的なサチュレータ吸収体として機能できるか？

主な発見

• イオンビーム照射によりモノレイヤー・グラフェンに形態的変化が生じ、WSe2との界面接触が著しく向上し、層間結合が強化された。
• 光励起発光測定により、可変な層間電子移動が確認され、照射後に発光強度およびピーク位置の明確な変調が観測された。
• 超高速吸収ダイナミクスの結果、グラフェンがWSe2の光励起キャリアに対して高速な緩和チャネルとして機能し、再結合損失が低減された。
• グラフェンからのキャリア移動によって、WSe2の非線形吸収が効果的に制御され、個々の成分とは異なる特徴的な選択的光学応答が得られた。
• イオン照射されたグラフェン/WSe2ヘテロ構造は、最適化された性能を示すNd:YAG波ガイドレーザー共振器でQスイッチドパルスレーザー発振を成功裏に実現した。
• 本研究では、大面積2次元ヘテロ構造における層間結合を設計可能にし、光デバイス統合に応用可能なスケーラブルで非破壊的な手法を示した。