[논문 리뷰] Quantifying Photoinduced Charge Transfer in Graphene-Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures using Raman Spectroscopy

Guillaume Froehlicher, Étienne Lorchat외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 15.

2D Materials and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 그래핀/MoSe₂ 반데르발스 이종구조에서의 계면 전하 및 에너지 전달을 조사하기 위해 광발광 및 라만 분광법을 사용한다. 여기서 MoSe₂에서의 엑시톤 수명이 약 1 ps로 단축되며, 그래핀으로의 순수 전자 전이와 디랙 포인트보다 290 ± 15 meV 높은 피에르 에너지 포화가 관찰되어, 전하 전이가 상당히 크지만 에너지 전달이 주요 결합 메커니즘임을 시사한다.

ABSTRACT

Van der Waals heterostuctures, made from stacks of two-dimensional materials, exhibit unique light-matter interactions and are promising for novel optoelectronic devices. The performance of such devices is governed by near-field coupling through, e.g., interlayer charge and/or energy transfer. New concepts and experimental methodologies are needed to properly describe two-dimensional heterointerfaces. Here, we report on interlayer charge and energy transfer in atomically thin metal (graphene)/semiconductor (transition metal dichalcogenide (TMD, here MoSe$_2$)) heterostructures using a combination of photoluminescence and Raman scattering spectroscopies. The photoluminescence intensity in graphene/MoSe$_2$ is quenched by more than two orders of magnitude and rises linearly with the photon flux, demonstrating a drastically shortened ($\sim 1~ r{ps}$) room temperature MoSe$_2$ exciton lifetime. Key complementary insights are provided from analysis of the graphene and MoSe$_2$ Raman modes, which reveals net photoinduced electron transfer from MoSe$_2$ to graphene and hole accumulation in MoSe$_2$. Remarkably, the steady state Fermi energy of graphene saturates at $290\pm 15~ r{meV}$ above the Dirac point. This behavior is observed both in ambient air and in vacuum and is discussed in terms of band offsets and environmental effects. In this saturation regime, balanced photoinduced flows of electrons and holes may transfer to graphene, a mechanism that effectively leads to energy transfer. Using a broad range of photon fluxes and diverse environmental conditions, we find that the presence of net photoinduced charge transfer has no measurable impact on the near-unity photoluminescence quenching efficiency in graphene/MoSe$_2$. This absence of correlation strongly suggests that energy transfer to graphene is the dominant interlayer coupling mechanism between atomically-thin TMDs and graphene.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 그래핀/전이 금속 디 chalcogenide(TMD) 이종구조에서의 주요 계면 결합 메커니즘—전하 전이 대비 에너지 전이—를 이해하기 위해.
• 다양한 환경 조건에서 그래핀/MoSe₂ 이종구조에서 광유도 전하 전이의 정량적 평가 및 그 엑시톤 성질에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 순수 전하 전이가 광발광 억제 효율성에 영향을 미치는지 여부를 판단하기 위해.
• 밴드 오프셋 및 환경 효과(공기 대 진공)가 그래핀의 정적 상태 피에르 수준 이동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 2차원 반데르발스 이종구조에서 에너지 전이와 전하 전이를 정량적으로 구분하는 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 광발광 분광법을 활용하여 MoSe₂에서의 엑시톤 방출 억제를 측정하고 다양한 광자 조도에서의 엑시톤 수명을 정량화하였다.
• 라만 분광법을 사용하여 그래핀 및 MoSe₂의 진동 모드 변화를 탐지하여 전하 전이 및 도핑 효과를 확인하였다.
• 라만 스펙트럼에서 G-밴드 이동을 통해 그래핀의 피에르 에너지 이동을 측정하였으며, 디랙 포인트보다 290 ± 15 meV 높은 곳에서 포화됨을 관찰하였다.
• 광자 조도를 넓은 범위로 변화시켜 광발광 강도의 선형성과 엑시톤 수명 추론을 평가하였다.
• 공기 및 진공 조건에서 측정을 수행하여 환경 효과가 전하 전이 및 피에르 수준 이동에 미치는 영향를 분리 분석하였다.
• 광발광 억제 효율성과 라만 분석을 통한 전하 전이 신호를 상관 분석하여 에너지 전이의 지배적 역할을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀/MoSe₂ 반데르발스 이종구조에서 주요 계면 결합 메커니즘은 전하 전이인지 에너지 전이인지 무엇인가?
• RQ2 광유도 전하 전이는 이러한 이종구조에서 광발광 억제 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그래핀과 결합된 상태에서 MoSe₂의 효과적 엑시톤 수명은 얼마이며, 광자 조도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 환경 조건(공기 대 진공)은 이종구조에서 그래핀의 정적 상태 피에르 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 순수 전하 전이가 그래핀/MoSe₂에서 광발광 억제 효율성과 얼마나 관련되어 있는가?

주요 결과

• MoSe₂의 광발광은 두 개 이상의 주기 감소하여 거의 100%의 억제 효율을 나타낸다.
• 광발광 강도는 광자 조도에 비례하여 선형적으로 증가하여 실온에서 약 1 ps의 초고속 엑시톤 수명을 나타낸다.
• 라만 분광법은 MoSe₂에서 그래핀으로의 순수 광유도 전자 전이와 MoSe₂에서의 정공 축적을 규명한다.
• 공기 및 진공 조건에서 그래핀의 정적 상태 피에르 에너지가 디랙 포인트보다 290 ± 15 meV 높은 곳에서 포화되며, 자가 제한적인 전하 전이 과정임을 시사한다.
• 상당한 순수 전하 전이가 관찰됨에도 불구하고, 전하 전이와 광발광 억제 효율성 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았다.
• 상관관계가 없음을 고려할 때, 에너지 전이가 그래핀/MoSe₂ 이종구조에서 주요 계면 결합 메커니즘임을 강력히 시사한다.