[논문 리뷰] Sub-bandgap activated charges transfer in a graphene-MoS2-graphene heterostructure

Sunil Kumar, Arvind Singh외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 20.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 그래핀-MoS₂-그래핀 이종구조에서 고체의 밴드 갭 이하의 광자 에너지로도 초고속 전하 이동이 유도됨을 보여주며, MoS₂의 1.88 eV 금접대보다 낮은 광자 에너지임에도 광역대의 THz 반응을 가능하게 한다. 초고속 펌프-THz 프로브 분광법을 사용하여, 저자들은 임시 전도도의 향상과 표면 전자 결합에 의한 메커니즘을 제안하며, 반도체의 금접대 이하에서도 시스템이 활성화됨을 밝혀내었고, 이는 THz 영역에서의 옵티컬렉트로닉스 응용을 확장시킨다.

ABSTRACT

Monolayers of transition metal dichalcogenides are semiconducting materials which offer many prospects in optoelectronics. A monolayer of molybdenum disulfide (MoS2) has a direct bandgap of 1.88 eV. Hence, when excited with optical photon energies below its bandgap, no photocarriers are generated and a monolayer of MoS2 is not of much use in either photovoltaics or photodetection. Here, we demonstrate that large size MoS2 monolayer sandwiched between two graphene layers makes this heterostructure optically active well below the band gap of MoS2. An ultrafast optical pump-THz probe experiment reveals in real-time, transfer of carriers between graphene and MoS2 monolayer upon photoexcitation with photon energies down to 0.5 eV. It also helps to unravel an unprecedented enhancement in the broadband transient THz response of this tri-layer material system. We propose possible mechanism which can account for this phenomenon. Such specially designed heterostructures, which can be easily built around different transition metal dichalcogenide monolayers, will considerably broaden the scope for modern optoelectronic applications at THz bandwidth.

연구 동기 및 목표

• 0.5 eV의 광자 에너지로도 MoS₂의 1.88 eV 금접대 이하에서 그래핀-MoS₂-그래핀 이종구조의 전하 이동 동역학을 조사하는 것.
• 전이 금속 디칼코겐화합물 단층이 그 자체의 고유한 밴드 갭 제한을 초월하여 옵티컬렉트로닉스 장치에 활용될 수 있는지 탐색하는 것.
• 반도체의 밴드 갭 이하의 광자 에너지로도 2차원 이종구조에서 광학적 활성화를 가능하게 하는 새로운 메커니즘을 규명하고 특성화하는 것.
• 광역대 임시 THz 반응이 향상된 삼중층 2차원 이종구조에서의 임시 THz 반응을 입증하고, 향후 THz 옵티컬렉트로닉스 응용에 기여하는 것.

제안 방법

• 이종구조 내 실시간 전하 운반자 동역학을 모니터링하기 위해 초고속 펌프-THz 프로브 분광법을 사용하였다.
• 단층 MoS₂는 기계적 분리법을 통해 추출되어 두 그래핀 층 사이에 전달되어 수직 이종구조를 형성하였다.
• MoS₂의 1.88 eV 금접대보다 훨씬 낮은 0.5 eV의 광자 에너지를 사용하여 광학적 자극을 수행하였다.
• 시간 해상도가 높은 THz 투과도 측정을 통해 임시 전도도와 전하 운반자 동역학을 추출하였다.
• 표면 전자 결합과 공명 전하 이동 경로를 포함하는 메커니즘을 제안하기 위해 이론적 분석을 수행하였다.
• 보조 정보는 이종구조의 구조적 및 광학적 특성에 대한 세부적인 분석을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS₂의 금접대가 1.88 eV임에도 불구하고, 0.5 eV의 광자 에너지로 자극했을 때 그래핀-MoS₂-그래핀 이종구조에서 전하 이동이 발생할 수 있는가?
• RQ2 밴드 갭 이하의 자극 조건에서 관측된 광역대 임시 THz 반응의 기원은 무엇인가?
• RQ3 그래핀과 MoS₂ 사이의 표면 결합이 반도체의 금접대 이하에서도 광학적 활성화를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 이 2차원 이종구조 시스템에서 초고속 전하 이동의 시간 상수와 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이 메커니즘은 다른 전이 금속 디칼코겐화합물 단층으로 일반화될 수 있으며, THz 옵티컬렉트로닉스 응용의 범위를 넓힐 수 있는가?

주요 결과

• 초고속 펌프-THz 프로브 실험에서, MoS₂의 1.88 eV 금접대보다 훨씬 낮은 0.5 eV 광자 에너지로 자극했을 때 그래핀과 MoS₂ 층 간에 실시간 전하 이동이 관측되었다.
• 이종구조는 밴드 갭 이하 자극 조건에서도 광역대 임시 THz 반응이著명하게 향상됨을 보였다.
• 관측된 반응은 전통적인 밴드 간 전이 메커니즘으로는 설명될 수 없으며, 새로운 자극 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 이 향상은 이종구조의 구조적 특성에 의해 가능해진 표면 전자 결합과 공명 전하 이동 경로에 기인한다.
• 이 메커니즘은 다른 전이 금속 디칼코겐화합물 단층으로 일반화될 수 있으며, THz 주파수에서 새로운 옵티컬렉트로닉스 장치의 개발을 가능하게 한다.
• 본 연구는 2차원 반데르발스 이종구조를 설계하여 개별 성분의 밴드 갭을 초월한 광학적 활성화를 가능하게 함을 입증하였다.