[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究利用光致发光光谱与拉曼光谱，研究石墨烯/MoSe₂范德华异质结中的层间电荷与能量转移。结果表明，MoSe₂中的激子寿命缩短至约1 ps，存在从MoSe₂向石墨烯的净电子转移，且费米能级在狄拉克点以上饱和至290 ± 15 meV，表明尽管存在显著的电荷转移，能量转移仍是主导的耦合机制。

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.

研究动机与目标

• 理解原子级薄石墨烯/过渡金属二硫属化物（TMD）异质结中主导的层间耦合机制——电荷转移与能量转移。
• 量化光诱导电荷转移及其对石墨烯/MoSe₂异质结中激子性质的影响，研究不同环境条件下的变化。
• 确定净电荷转移是否影响光致发光猝灭效率，后者是光电器件性能的关键指标。
• 研究能带偏移与环境效应（空气与真空）对石墨烯稳态费米能级偏移的影响。
• 建立基于光谱技术的定量框架，以区分二维范德华异质结中的能量转移与电荷转移。

提出的方法

• 采用光致发光光谱测量MoSe₂中激子发射的猝灭，量化不同光子通量下的激子寿命。
• 利用拉曼光谱探测石墨烯与MoSe₂振动模式的变化，检测反映电荷转移与掺杂效应的位移。
• 通过拉曼光谱中G带的位移测量石墨烯费米能级的偏移，观察到在狄拉克点以上290 ± 15 meV处达到饱和。
• 在宽范围变化入射光子通量，评估光致发光强度的线性关系，推断激子寿命。
• 在空气与真空环境中进行测量，以分离环境因素对电荷转移与费米能级偏移的影响。
• 将光致发光猝灭效率与拉曼光谱推导的电荷转移信号相关联，以确定能量转移的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯/MoSe₂范德华异质结中，主导的层间耦合机制是电荷转移还是能量转移？
• RQ2 光诱导电荷转移如何影响这些异质结中的光致发光猝灭效率？
• RQ3 当MoSe₂与石墨烯耦合时，其有效激子寿命是多少？该寿命如何随光子通量变化？
• RQ4 环境条件（空气与真空）如何影响异质结中石墨烯的稳态费米能级？
• RQ5 净电荷转移在多大程度上与石墨烯/MoSe₂中的光致发光猝灭相关？

主要发现

• MoSe₂的光致发光被猝灭超过两个数量级，表明猝灭效率接近于100%。
• 光致发光强度随光子通量线性增加，表明室温下激子寿命约为1 ps，具有超快动力学。
• 拉曼光谱显示存在从MoSe₂向石墨烯的净光诱导电子转移，且MoSe₂中出现空穴积累。
• 石墨烯的稳态费米能级在空气与真空环境中均在狄拉克点以上290 ± 15 meV处饱和，表明电荷转移过程具有自限性。
• 尽管存在显著的净电荷转移，但未发现电荷转移与光致发光猝灭效率之间存在可测量的相关性。
• 该相关性缺失强烈表明，在石墨烯/MoSe₂异质结中，能量转移而非电荷转移是主导的层间耦合机制。