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结合泵-探测器和光发射电子显微镜进行半导体电子原位表征

原文链接:Man, M. K. L. et al. Imaging the motion of electrons across semiconductor heterojunctions. Nat. Nanotechnol. 1–6 (2016). doi:10.1038/nnano.2016.183

研究背景及目的

实现对电子运动的原位观测,需要高的空间+时间分辨度。
但是,由Rayleigh判据

其中,$\Delta l$ 为可分辨最小距离,$f$为透镜焦距,$\lambda$为波长,$D$为粒子穿过的小孔直径。可知可分辨最小距离与小孔直径成反比,而光子波长较大,因此光学显微镜空间分辨度不够。由于受到电子发射速率的限制,两个电子之间的时间间隔难以达到飞秒的分辨量级,又可知电子显微镜时间分辨度不够。

因此,发展了一种表征技术——能以短时连续的粒子(光子)激发获得信号(获得时间分辨度),所激发信号又具有较短波长(物质波),可以满足Rayleigh判据的可分辨条件——TR-PEEM = Time-Resolved Photoemission Electron Microscopy,即时间可分辨的光电子显微分析技术。

本文结合泵-探测器及光发射电子显微镜来实现上述表征技术。

研究方法

本文主要特点在于巧妙地使用先进表征技术对电子活动进行表征,因此实验方法是我们需要着重关注的。

材料

InSe/GaAs异质结材料。其中二维InSe的厚度可以通过激光雕刻控制,与在其下方的GaAs通过范德华力相互作用。InSe/GaAs异质结的能带结构会受到二维InSe的厚度的影响,从而导致光致电子逸出功在局域的不均匀。

泵-探测器(Pump-probe)

首先,通过波长为800nm的激光脉冲将电子激发到InSe/GaAs异质结材料导带上,随后,在间隔200fs左右的时间后,再通过波长为286nm的探测光束将已经激发至导带上的电子,通过光生电子原理由表面击出,从而可以使电子被探测器所探测。

光发射电子显微镜(PEEM, Photoemission Electron Microscopy)

该电子显微镜能够分辨光生电子。根据爱因斯坦提出的光电效应方程

其中,$W$为光激发电子逸出功。由于不同表面光激发电子逸出功的不同,因此导致激发总电子数目不一致,在电子成像上就会体现为颜色或者亮暗的不一致,从而形成衬度。

研究结果

1. 利用TR-PEEM技术进行电子运动原位表征的原理展示。

图1 TR-PEEM技术和InSe/GaAs 能带分布示意图

2. 分析电子运动在空间上的不均匀性。因为type-II的能带结构,GaAs中光生电子比之于InSe能量更高。

图2 PEEM及TR-PEEM实验图像

3. 分析电子运动在时间上的不均匀性。随(延迟)时间增加,InSe/GaAs异质结光生电子的增加(红)和减少(蓝)。

图3 不同时间下的TR-PEEM实验图像

4. 建立电荷隔离和输运模型。电子从GaAs流向InSe。

图4 电荷隔离和输运模型

写在后面

本文是笔者尝试的第二篇文献分析类博文。希望本文能得到各位读者宝贵的改进意见。另外,祝学习愉快,工作顺利!

感谢大家的阅读。
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笔者水平有限,望各位批评指正!