[논문 리뷰] Tuning of Interlayer Coupling in Large-Area Graphene/WSe2 van der Waals Heterostructure via Ion Irradiation: Optical Evidences and Photonic Applications

Yang Tan, Xiaobiao Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 24.

2D Materials and Applications참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이온 조사가 대면적 그래핀/WSe2 반데르발스 이종구조에서 계면 결합을 효과적으로 조절함으로써 그래핀의 미세구조를 변화시켜 계면 접촉을 향상시키고 제어 가능한 전자 이동을 가능하게 함을 보여준다. 광학적 측정 결과, 조절 가능한 형광 및 비선형 흡수를 관찰할 수 있었으며, 이는 이온 조사된 이종구조를 포화 흡수체로 사용한 Nd:YAG 파이버 캐비티에서 최적화된 Q-스위치 펄스 레이저 작동을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장면적 반데르발스 이종구조에서의 비균일한 계면 접촉이 장치 효율을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 이온 조사를 대규모 적용 가능한 방법으로 이용하여 그래핀/WSe2 이종구조의 계면 결합과 계면 접촉을 개선하는 방법을 탐색하기 위해.
• 이온 조사된 그래핀/WSe2 이종구조의 광학적 반응 및 전자 운동을 광학 기기 응용을 위해 연구하기 위해.
• 수정된 이종구조를 Q-스위치 레이저 캐비티의 포화 흡수체로 사용하여 실용적인 광학 기기 통합을 시연하기 위해.

제안 방법

• 대면적(10 mm × 10 mm) 단층 그래핀을 WSe2 기판에 적용한 데서 이온 조사를 통해 표면 미세구조를 변화시키고 계면 접촉을 향상시켰다.
• 형광 스펙트로스코피 및 초고속 일시적 흡수 측정을 통해 계면 전자 이동 및 전자 릴랙세이션 역학을 분석하였다.
• 그래프ène 존재 하에서 WSe2의 비선형 광학적 반응을 분석하였으며, 그래프ène에서 WSe2로의 전자 이동 효과에 중점을 두었다.
• 이온 조사된 그래프ène/WSe2 이종구조를 포화 흡수체로 사용하여 Nd:YAG 파이버 캐비티를 구현함으로써 Q-스위치 펄스 레이저 작동을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 조사는 대면적 그래프ène/WSe2 반데르발스 이종구조에서 계면 결합과 계면 접촉을 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 그래프ène의 이온 유도 변화가 이종구조의 계면 전자 이동 및 광학적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이온 조사된 이종구조에서 그래프ène로부터의 전자 주입을 통해 WSe2의 비선형 흡수는 어느 정도 조절될 수 있는가?
• RQ4 이온 조사된 그래프ène/WSe2 이종구조는 Q-스위치 펄스 레이저 작동을 위한 효율적인 포화 흡수체로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 이온 조사로 단층 그래프ène의 미세구조 변화가 유도되어 WSe2와의 계면 접촉이 크게 향상되었으며, 계면 결합이 강화되었다.
• 형광 측정 결과, 조절 가능한 계면 전자 이동이 확인되었으며, 조사 후 발광 강도와 피크 위치의 명확한 조절이 관찰되었다.
• 초고속 흡수 역학 측정을 통해 그래프ène가 WSe2의 광학적으로 자극된 전자의 빠른 릴랙세이션 채널로 작용하여 재결합 손실을 감소시킴을 밝혀냈다.
• 그래프ène로부터의 전자 이동으로 WSe2의 비선형 흡수는 효과적으로 조절되었으며, 개별 성분과는 다름없는 선택적 광학 반응이 가능해졌다.
• 이온 조사된 그래프ène/WSe2 이종구조는 최적화된 성능로 Nd:YAG 파이버 캐비티에서 Q-스위치 펄스 레이저 작동을 성공적으로 구현하였다.
• 이 연구는 대면적 2차원 이종구조에서 계면 결합을 공학적으로 조절하기 위한 확장 가능하고 비파괴적인 방법을 시연하였다.