[논문 리뷰] Observation of Ultralong Valley Lifetime in WSe2/MoS2 Heterostructures

Jonghwan Kim, Chenhao Jin외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 16.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 30인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 WSe2/MoS2 이종구조에서 초고속 전하 이동을 활용하여 WSe2에서 골대편광된 정공을 생성함으로써 초장수 골대 수명을 입증한다. 이 정공들은 10 K에서 40 마이크로초가 넘는 비편광 수명을 보이며, 이는 이전 보고보다 수 개의 주기 길이로, 골트로닉스 및 스핀트로닉스 응용 분야에 새로운 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

The valley degree of freedom in two-dimensional (2D) crystals recently emerged as a novel information carrier in addition to spin and charge. The intrinsic valley lifetime in 2D transition metal dichalcoginides (TMD) is expected to be remarkably long due to the unique spin-valley locking behavior, where the inter-valley scattering of electron requires simultaneously a large momentum transfer to the opposite valley and a flip of the electron spin. The experimentally observed valley lifetime in 2D TMDs, however, has been limited to tens of nanoseconds so far. Here we report efficient generation of microsecond-long lived valley polarization in WSe2/MoS2 heterostructures by exploiting the ultrafast charge transfer processes in the heterostructure that efficiently creates resident holes in the WSe2 layer. These valley-polarized holes exhibit near unity valley polarization and ultralong valley lifetime: we observe a valley-polarized hole population lifetime of over 1 us, and a valley depolarization lifetime (i.e. inter-valley scattering lifetime) over 40 us at 10 Kelvin. The near-perfect generation of valley-polarized holes in TMD heterostructures with ultralong valley lifetime, orders of magnitude longer than previous results, opens up new opportunities for novel valleytronics and spintronics applications.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 골트로닉스 응용을 위해 2차원 전이금속 디 chalcogenide(TMDs)에서 장수명 골대 편광을 달성하기 위해.
• 이전 TMD 실험에서 관찰된 짧은 골대 수명(일般적으로 수십 나노초)의 한계를 극복하기 위해.
• WSe2/MoS2 이종구조에서의 계면 전하 이동을 이용하여 골대편광된 정공을 생성하고 안정화하기 위해.
• 단일층 TMDs에서 보고된 바보다 훨씬 긴 골대 비편광 수명을 측정하고 증명하기 위해.
• 이종구조 2차원 물질을 이용한 확장 가능하고 실온에서도 사용 가능한 골트로닉스 장치 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 초고속 계면 전하 이동(100 fs 이내 발생)을 가능하게 하기 위해 WSe2/MoS2 반데르발스 이종구조를 사용하였다.
• MoS2 층을 광학적으로 자극하여 전자-정공 쌍을 생성하였으며, 정공은 빠르게 WSe2 층으로 이동하였다.
• WSe2 층에서의 골대 편광 동역학을 모니터링하기 위해 시간 해상도가 뛰어난 펌프-프로브 분광법을 활용하였다.
• WSe2에서 K+ 또는 K− 골대를 선택적으로 자극하기 위해 원형 편광 빛을 사용하여 골대 편광도를 측정하였다.
• 열적 산란을 최소화하고 골대 수명 측정을 향상시키기 위해 10 K에서 실험를 수행하였다.
• 원형 편광 발광의 시간적 변화를 분석하여 골대 비편광 수명을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 이종구조에서 수십 나노초보다 훨씬 긴 수명을 가진 골대 편광이 안정화될 수 있는가?
• RQ2 초고속 계면 전하 이동은 WSe2에서 장수명 골대편광 정공을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 저온에서 WSe2/MoS2 이종구조에서 도달 가능한 최대 골대 비편광 수명은 얼마인가?
• RQ4 스핀-골대 결합과 억제된 골간 산란으로 인해 WSe2에서 골대 편광은 어느 정도 유지될 수 있는가?
• RQ5 비방사성 재결합 경로가 최소화된 2차원 이종구조 시스템에서 근접 100% 골대 편광을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 10 K에서 WSe2/MoS2 이종구조에서 골대편광 정공의 수명이 1 마이크로초를 초과하는 것으로 관측되었다.
• 골대 비편광 수명—즉, 골간 산란 시간—은 10 K에서 40 마이크로초가 넘게 측정되었다.
• MoS2에서의 효율적이고 선택적인 전하 이동 덕분에 WSe2 층에서 근접 100%의 골대 편광도가 달성되었다.
• 초장수 골대 수명은 강한 스피너-골대 결합과 억제된 간골간 산란으로 인해 발생하며, 이는 이종구조의 밴드 정렬에 의해 강화된다.
• 초고속 전하 이동(100 fs 이내 발생)이 WSe2 층에 골대편광 정공을 효율적으로 공급하여 재결합 손실을 최소화한다.
• 결과적으로 이전 보고된 단일층 TMDs의 골대 수명보다 두 개 이상의 주기 급격히 향상된 것으로 나타났다.