[論文レビュー] Quantifying Photoinduced Charge Transfer in Graphene-Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures using Raman Spectroscopy

Guillaume Froehlicher, Étienne Lorchat+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

2D Materials and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、光励起分光法およびラマン分光法を用いて、グラフェン/MoSe₂のファンデルワールスヘテロ構造における界面間電荷およびエネルギー移動を調査した。その結果、MoSe₂における励起子の寿命が約1 psに短縮され、グラフェンへの電子移動が顕著に観察され、デイビス・ポイントより290 ± 15 meV上でのフェルミエネルギーの飽和が確認された。これは、顕著な電荷移動が見られるにもかかわらず、エネルギー移動が主要な結合メカニズムであることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 原子層厚さのグラフェン／遷移金属ジ chalcogenide (TMD) ヘテロ構造における主要な界面結合メカニズム（電荷移動対エネルギー移動）を理解すること。
• さまざまな環境条件下での光誘起電荷移動を定量的に評価し、そのグラフェン/MoSe₂ヘテロ構造における励起子的性質に与える影響を明らかにすること。
• ネット電荷移動が、オプトエレクトロニクス素子の性能指標である光励起分光のクエンチ効率に与える影響を検証すること。
• バンドオフセットおよび環境的要因（空気中対真空）が、グラフェンの定常状態フェルミ準位シフトに与える影響を調査すること。
• 分光法を用いて、2次元ファンデルワールスヘテロ構造におけるエネルギー移動と電荷移動を区別する定量的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 光励起分光法を用いて、MoSe₂における励起子発光クエンチ効率を測定し、さまざまな光子フラックス下での励起子寿命を定量した。
• ラマン分光法を用いて、グラフェンおよびMoSe₂の振動モードの変化を調査し、電荷移動およびドーピング効果を示すシフトを検出した。
• ラマン分光法におけるGバンドのシフトを用いて、グラフェンのフェルミエネルギーシフトを測定し、デイビス・ポイントより290 ± 15 meV上での飽和を観察した。
• 広範囲の入射光子フラックスを変化させ、光励起分光強度の線形性を評価し、励起子寿命を推定した。
• 空気中および真空下での測定を実施し、環境要因が電荷移動およびフェルミ準位シフトに与える影響を分離した。
• 光励起分光クエンチ効率とラマンから導出された電荷移動信号を相関させ、エネルギー移動の優位性を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/MoSe₂のファンデルワールスヘテロ構造における主要な界面結合メカニズムは、電荷移動かエネルギー移動のどちらか？
• RQ2 光誘起電荷移動は、これらのヘテロ構造における光励起分光クエンチ効率にどのように影響するか？
• RQ3 グラフェンと結合した状態におけるMoSe₂の有効な励起子寿命は何か？また、光子フラックスに依存してどのように変化するか？
• RQ4 環境条件（空気中対真空）は、ヘテロ構造におけるグラフェンの定常状態フェルミエネルギーにどのように影響するか？
• RQ5 ネット電荷移動は、グラフェン/MoSe₂における光励起分光クエンチ効率とどの程度相関するか？

主な発見

• MoSe₂の光励起分光は2桁以上クエンチされており、ほぼ100％のクエンチ効率であることが示された。
• 光励起分光強度は光子フラックスに比例して線形に増加し、室温下で約1 psの超高速な励起子寿命であることが示された。
• ラマン分光法により、MoSe₂からグラフェンへの光誘起電子移動が顕著に観察され、MoSe₂にホールの蓄積が生じた。
• 空気中および真空下の両方で、グラフェンの定常状態フェルミエネルギーがデイビス・ポイントより290 ± 15 meV上での飽和を示し、自己制限的電荷移動プロセスであることが示された。
• 顕著なネット電荷移動が見られるにもかかわらず、電荷移動と光励起分光クエンチ効率との間に有意な相関は認められなかった。
• 相関の欠如は、エネルギー移動が、グラフェン/MoSe₂ヘテロ構造における主要な界面結合メカニズムであることを強く示唆している。