Laditelný laser pro dynamickou charakterizaci dvourozměrných materiálů

Atomárně tenké dvourozměrné materiály představují novou generaci v oblasti fotovoltaiky, kvantové informatiky a souvisejících aplikací. Aby bylo možné takové materiály využít, je zapotřebí důkladné porozumění parametrů materiálu a charakterizace in-situ během růstu a výroby zařízení. Dichalkogenidy přechodných kovů (TMD) jsou podskupinou těchto jednovrstvých materiálů, které jsou nejoblíbenější pro své polovodičové a optoelektronické aplikace.

Nelineární mikroskopie a spektroskopie kombinují vylepšené prostorové rozlišení se zvýšenou citlivostí vůči defektům, dopování a deformaci v těchto materiálech a zároveň poskytují přístup k dynamice vzorku, včetně přenosu náboje a koherentní vazby. Početná skupina TMD pokrývá široký rozsah vlnových délek s různými rezonančními energiemi a šířkami čar těchto rezonancí. Pomocí laseru Coherent Vitara T demonstrují výzkumníci z Michiganské univerzity a vědci ze společnosti MONSTR Sense Technologies možnosti ultrarychlého spektrometru BIGFOOT® a laserového skenovacího mikroskopu NESSIE® za účelem porozumění a charakterizace časové koherence, vazby, přenosu náboje a kvality vzorku v monovrstvách a heterostrukturách TMD. Schéma a obrázek experimentu je na obr. 1.

ULTRARYCHLÉ FILMY - NÁVŠTĚVA KVANTOVÉHO KINA

Základy ultrarychlého zobrazování jsou znázorněny na obr. 2: Laserový pulz, často označovaný jako čerpací pulz, excituje vzorek. Druhý pulz, označovaný jako pulz sondy, následuje po čerpacím pulzu. Během zpoždění pulzu pumpy a sondy, T, prochází systém evolucí - např. rozklad excitonů v polovodičích s přímou mezerou, relaxace elektronů v grafenu, vibrace v molekulách a mřížkách a přenos náboje a energie ve fotosyntetických bakteriích. Těmto ultrarychlým procesům rozumíme díky měření změn nelineární odezvy systému, konkrétně signálu čtyřvlnného míchání (FWM), jako funkce zpoždění pulzu. Kombinací tohoto měření s laserovým skenovacím mikroskopem vytváříme ultrarychlé "filmy" dynamiky vzorku.

Měření při každém zpoždění pulzu čerpadla a sondy představuje snímek evoluce excitace. Prostorovým skenováním excitačního svazku nad oblastí vzorku získáme celý snímek. Příklad takovýchto snímků uvádíme na obr. 3(a). V tomto příkladu vykazuje monovrstva TMD MoSe2 úbytek životnosti excitonů, jak ukazuje pokles amplitudy s delším zpožděním pulzu. Jednoduchým exponenciálním fitováním lze extrahovat dobu života excitonů v celém vzorku, jako je znázorněno na obr. 3(b). Zejména u polovodičů je doba rozpadu silným indikátorem změn v dopování, lokalizovaných stavů (často způsobených defekty) nebo změn v dielektrickém prostředí, a slouží tedy jako sonda kvality materiálu. Zobrazování pomocí čerpací sondy však dalece přesahuje rámec polovodičů, neboť je oblíbené v celé řadě aplikací, včetně detekce maligního melanomu a defektů v grafenu.

Prostorové rozlišení měření pomocí mikroskopu NESSIE je lepší než 800 nm. Vysoké rozlišení je možné díky plně kolineárnímu výstupu spektrometru BIGFOOT, který lze kontrastovat s běžnými ultrarychlými technikami, které mají prostorové rozlišení přibližně 30 µm. Nejenže velikost skvrny umožňuje měřit snímky s vysokým rozlišením, ale také umožňuje používat lasery s vysokou opakovací frekvencí 80 MHz místo zesílených laserových systémů. Více než 30násobné zmenšení ohniskové skvrny, které umožňuje BIGFOOT, odpovídá 2500násobnému zmenšení excitační plochy a stejně tak nižším energiím pulzů potřebným pro ekvivalentní nelineární odezvu. Proto je spektrometr BIGFOOT kompatibilní s laserovými oscilátory, jako je Vitara T, které mají vysokou opakovací frekvenci a nízký šum. Výhodou je zkrácení doby zdržení pixelu při zobrazování a doby trvání skenování při spektroskopii, což výrazně urychluje sběr dat.

SCHOPNOSTI VÍCEROZMĚRNÉ KOHERENTNÍ SPEKTROSKOPIE

V některých případech potřebují výzkumníci více informací o svém vzorku, zejména při studiu vazeb mezi rezonancemi nebo při zkoumání vlastností časové koherence (rozfázování) vzorků. Pro tyto účely se běžně využívá vícerozměrná koherentní spektroskopie (MDCS). Při MDCS jsou pulzy sondy a čerpadla spektrálně rozlišeny, čímž vznikají dvourozměrná spektra, která korelují absorpční a emisní energie. Příklad spektra MDCS pro heterostrukturu MoSe2/WSe2 je znázorněn na obr. 4. Červené přerušované rámečky na obrázku č. 4 označují dva píky se stejnou absorpční a emisní energií, které jsou charakteristické znaky MoSe2 a WSe2 A-excitonů. Žluté přerušované rámečky naopak ohraničují dva píky, které mají odlišné absorpční a emisní energie a poukazují na vazbu mezi excitony. Změna zpoždění mezi čerpadlem a sondou odhaluje časově závislou vlastnost vazby. Široká šířka pásma laseru Vitara umožňuje v tomto experimentu současnou excitaci MoSe2 i WSe2 A-excitonů. Využití spektroskopu BIGFOOT, který pracuje na principu spektroskopie s Fourierovou transformací, umožňuje softwarově nastavitelnou šířku pásma a spektrální rozlišení. To vše při vyšší rychlosti sběru dat než u běžných ultrarychlých spektrometrů.

ČASOVÁ KOHERENCE PRO KVANTOVOU INFORMATIKU

U složitých výpočtů si kvantová informatika vyžaduje dlouhé doby koherence qubitů. MDCS je užitečným nástrojem pro měření optických vlastností materiálů s kvantově-informačními aplikacemi díky své jedinečné schopnosti měřit homogenní šířky čar a vazby v materiálech s velkou nehomogenitou. MDCS proto představuje skvělý nástroj pro charakterizaci v oblasti kvantové informatiky. Ačkoliv jsou TMD perspektivní skupinou kvantových materiálů, o jejich koherenčních časech a rozdílech mezi jednotlivými vzorky je známo překvapivě málo. V tomto článku charakterizujeme koherenční vlastnosti TMD pomocí MDCS. Na obr. 5(a) je znázorněn typický nelineární obraz monovrstvy MoSe2 při kryogenních teplotách (5 K).

Monovrstva vykazuje výraznou nehomogenitu v pevnosti FWM, která se shoduje s trhlinou ve středu vzorku. Další analýza pomocí MDCS na dvou místech vzorku (obr. 5b, c)) ukazuje, že oblast uprostřed snímku rovněž vykazuje výrazně nehomogenní rozšíření, které se projevuje v podobě prodloužených spekter v místě B podél diagonály (přerušovaná čára). Nehomogenita naznačuje významné rezonanční posuny vyvolané deformačními změnami pro excitony v oblasti excitace 800 nm. 

Shoda šířky čáry napříč diagonálou kvantifikuje homogenní šířku čáry, která je nepřímo úměrná koherenční době. Například fitování příčné diagonály šířky čáry pro obr. 5(b, c) odhaluje optické koherenční doby kolem 900 fs, což je pod potřebnou koherenční dobou pro funkční qubit, pokud operace s qubitem nejsou ultrarychlé. 

MDCS ve spojení s mikroskopií může také zvýraznit robustnost koherentního spojení mezi excitony a přenosem náboje v heterostruktuře MoSe2/WSe2. Integrací přes pík vazby MoSe2/WSe2 (vpravo dole na obr. 4) při změně zpoždění čerpadla a sondy získáme obrazy vazby zobrazené na obr. 6(a). Vzorek vykazuje silnou deformaci, což je patrné z výrazných rezonančních posunů napříč vzorkem.

Na obr. 6(a) je znázorněna prostorová mapa vývoje píku vazby v závislosti na zpoždění čerpadla a sondy, T. Jedná se o jeden ze způsobů, jak rozdělit tento pětirozměrný soubor dat, abychom zdůraznili, jak porozumět fyzikální podstatě mezivrstvového spojení. Na obrázku 6b) oscilace vazebního píku při časných zpožděních pulzů odhalují velikost koherentní vazby v materiálu. Síla píku vazby při pozdějších zpožděních pulzů odhaluje sílu a prostorovou rovnoměrnost přenosu náboje. Datové křivky 6(b) jsou vykresleny pro mnoho pixelů podél každé barevné čáry na obrázku 6(a), aby se ukázala reprodukovatelnost oscilací v různých oblastech vzorku. 

Navzdory krátkým dobám setrvání pixelů (až 30 µs) u laserového skenovacího mikroskopu NESSIE trvá získání kompletních pětirozměrných měření, která jsou zde prezentována, více než hodinu. Vysoká stabilita a nízký šum přístroje Vitara spolu s vysokou interferometrickou stabilitou přístroje BIGFOOT však umožňují, aby tato měření poskytovala stabilní výsledky po dobu několika hodin.

CESTA K RYCHLEJŠÍ KONTROLE MATERIÁLŮ

Aby bylo možné provádět in-situ charakterizaci během růstu a výroby materiálu, musíme zvolit jinou metodu, než kombinaci úplného MDCS s mikroskopií. Ta totiž není dostatečně rychlá. Místo toho lze modality MDCS, jako je rozfázování a populační dynamika, zpřístupnit pomocí nulového nebo jednorozměrného skenování v časové oblasti, které ultrarychlý mikroskop MONSTR Sense získá za méně než minutu. Tato nulová nebo jednorozměrná skenování často postačují pro charakterizaci růstu materiálu in-situ nebo in-line, kde je důležitá propustnost.

Jednoduchý statický snímek FWM navíc odhalí oblasti s výjimečnými fyzikálními vlastnostmi, jako je například rozfázování nebo životnost populace, přičemž je výrazně rychlejší k získání. Na obrázku 7. je znázorněno srovnání (a) mikroskopie v bílém světle a (b) rezonanční lineární reflektance s (c) FWM zobrazením při pokojové teplotě. Zatímco snímek mikroskopie v bílém světle na obr. 7(a) a obraz lineární reflektance na obr. 7(b) vykazují prostorovou nehomogenitu způsobenou zbytky z procesu přenosu, obraz FWM na obr. 7(c) vykazuje vyšší kontrast a odlišné rysy od obr. 7(a, b).

Rozdílné vlastnosti FWM se promítají do různých časů rozfázování, jak je znázorněno na obr. 8(a). Délka pulzu, nastavená laděním široké šířky pásma Vitara T a kompenzací disperze, je 30 fs. Oblasti s výrazně delšími dobami rozfázování jsou oblasti s vysokým efektem mnoha těles. Stejně tak snímky biexponenciálního rozpadu zobrazené na obr. 8(b, c) ukazují podobné prostorové chování pro pomalý rozpad, jak je znázorněno na obr. 8(c). Výrazný rozdíl v prostorových profilech složky rychlého a pomalého rozpadu naznačuje prostorově se měnící distribuci tmavého stavu v tomto vzorku.

SHRNUTÍ

Laser Vitara od Coherent představuje inovativní a komerčně dostupné zařízení pro vícerozměrnou koherentní spektroskopii spojenou s mikroskopií, která umožňuje studovat prostorově rozlišené optické koherenční časy, koherentní vazbu mezi excitony a přenos náboje v heterostruktuře TMD. U vzorků heterostruktury vykazuje koherentní vazba i přenos náboje vysokou míru homogenity, což podporuje rozsáhlejší aplikace TMD pro fotovoltaiku a kvantovou informatiku. Příklad také zdůrazňuje sílu MDCS v kombinaci s mikroskopií, která výzkumníkům umožňuje zkoumat dynamiku vzorku napříč vzorkem s vysokou reprodukovatelností. Rychle získané mapy rozfázování a životnosti populace ukazují kvalitu vzorku přesněji než mikroskopie v bílém světle nebo rezonanční lineární odraz. 

Kalibrací škál rozfázování a životnosti populace na nedotčený, vysoce kvalitní vzorek, zjistíme, že každá odchylka od očekávané dynamiky může indikovat horší kvalitu vzorku. Kromě toho jsou tato měření výrazně rychlejší než fotoluminiscence nebo Ramanova spektroskopie, a proto může zobrazování FWM sloužit k rychlé charakterizaci TMD a dalších dvourozměrných materiálů, arsenidu galia a mnoha dalších materiálů in-situ.

Pro tato měření byl vybrán ultrarychlý laser Coherent Vitara T, který nabízí širokou laditelnost, velkou šířku pásma, vysokou stabilitu s nízkým šumem a snadné použití. Spektroskopie MDCS navíc vyžaduje současnou excitaci všech rezonancí, které jsou předmětem zájmu, čehož je možné dosáhnout pouze v heterostruktuře TMD za použití širokopásmového laseru, jako je právě Vitara. Spektroskopická a zobrazovací data rovněž demonstrují možnosti ultrarychlého spektrometru BIGFOOT a laserového skenovacího mikroskopu NESSIE společnosti MONSTR Sense Technologies. Tato zařízení zaostřují laser do téměř difrakčně omezeného bodu, což umožňuje vysoké rozlišení a silnou nelineární odezvu pomocí laserového oscilátoru.