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Wellenlängenabstimmbarer Laser zur dynamischen Charakterisierung zweidimensionaler Materialien

Übersicht

Atomdünne zweidimensionale Materialien gelten als vielversprechende Materialplattform für die nächste Generation in den Bereichen Photovoltaik, Quanteninformationswissenschaft und verwandten Anwendungsgebieten. Ein umfassendes Verständnis der Materialparameter sowie die In-situ-Charakterisierung während des Wachstums und der Bauelementherstellung sind daher entscheidende Schritte auf dem Weg zur praktischen Anwendbarkeit. Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) sind eine Untergruppe dieser einlagigen Materialien, die vor allem aufgrund ihrer halbleitenden und optoelektronischen Eigenschaften große Beachtung finden.

Die nichtlineare Mikroskopie und Spektroskopie verbinden eine verbesserte räumliche Auflösung mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Defekten, Dotierungen und Spannungen in diesen Materialien und ermöglichen zudem Einblicke in die Dynamik der Proben, einschließlich Ladungstransfer und kohärenter Kopplung. Die große Familie der TMDs deckt einen breiten Wellenlänge mit unterschiedlichen Resonanzenergien und Linienbreiten dieser Resonanzen ab. Mithilfe des Coherent Vitara demonstrieren Forscher der University of Michigan und Wissenschaftler von MONSTR Sense Technologies die Fähigkeiten des ultrafast und des NESSIE®-Laserscanning-Mikroskops zum Verständnis und zur Charakterisierung von zeitlicher Kohärenz, Kopplung, Ladungstransfer und Probenqualität in TMD-Monoschichten und Heterostrukturen. Eine schematische Darstellung und ein Bild des Experiments sind in Abb. 1 zu sehen.

Abbildung 1: (a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus: Der Laserstrahl Vitara Coherent Vitara Laserstrahl zur Vorabkompensation des Chirps durch einen Pulskompressor geleitet. Anschließend durchläuft er das BIGFOOT-Spektrometer und das NESSIE-Laserscanning-Mikroskop, bevor er auf die Probe im Inneren eines Kryostaten trifft. Mit seiner hohen Zuverlässigkeit ist der bedienungsfreundliche, schlüsselfertige Vitara ideal für anspruchsvolle Instrumente wie BIGFOOT und NESSIE. (b) Abbildung des Aufbaus mit einem XY-Mikroskoptisch für die Abbildung im Wafer-Maßstab. Mit freundlicher Genehmigung von MONSTR Sense Technologies.

Ultrafast – ein Besuch im Quantum Cinema

Die Grundlagen der ultrafast sind in Abb. 2 dargestellt: Ein Laserimpuls, der oft als Pumpimpuls bezeichnet wird, regt eine Probe an. Ein zweiter Impuls, der als Sondenimpuls bezeichnet wird, folgt auf den Pumpimpuls. Während der Verzögerung T zwischen Pump- und Sondenimpuls durchläuft das System eine Entwicklung – z. B. den Exzitonenzerfall in Halbleitern mit direkter Bandlücke, die Elektronenrelaxation in Graphen, Schwingungen in Molekülen und Gittern sowie den Ladungs- und Energietransfer in photosynthetischen Bakterien. Wir verstehen diese ultrafast , indem wir Veränderungen in der nichtlinearen Reaktion des Systems, insbesondere das Vierwellenmischungssignal (FWM), als Funktion der Impulsverzögerung messen. Die Kombination dieser Messung mit einem Laserscanning-Mikroskop erzeugt ultrafast der Proben-Dynamik.

Abbildung 2: Pump-Probe-Schema zur Erfassung ultrafast der Proben-Dynamik. Mit freundlicher Genehmigung von MONSTR Sense Technologies.

Eine Messung bei jeder Pump-Probe-Impulsverzögerung ist eine Momentaufnahme der Entwicklung der Anregung. Durch räumliches Abtasten des Anregungsstrahls über einen Probenbereich erfassen wir ein vollständiges Bild. Ein Beispiel für solche Bilder ist in Abb. 3(a) dargestellt. In diesem Beispiel zeigt eine Monoschicht des TMD_MoSe₂ einen Abklingvorgang der Exzitonlebensdauer, was sich in der Abnahme der Amplitude bei längeren Impulsverzögerungen zeigt. Eine einfache exponentielle Anpassung kann die Lebensdauer der Exzitonen über die Probe hinweg extrahieren, wie in Abb. 3(b) dargestellt. Insbesondere bei Halbleitern ist die Abklingzeit ein starker Indikator für Veränderungen in der Dotierung, lokalisierte Zustände (oft verursacht durch Defekte) oder Veränderungen in der dielektrischen Umgebung und dient somit als Maßstab für die Materialqualität. Die Pump-Probe-Bildgebung geht jedoch weit über Halbleiter hinaus, da sie in einer Vielzahl von Anwendungen beliebt ist, darunter die Erkennung von malignen Melanomen und Defekten in Graphen.

Abbildung 3: (a) FWM-Bild für unterschiedliche Pump-Probe-Verzögerungen T. (b) Daraus resultierendes Abklingzeitbild, das durch exponentielle Anpassungen an jedem Bildpixel ermittelt wurde. Mit freundlicher Genehmigung von Torben Purz.

Die räumliche Auflösung der Messungen mit dem NESSIE-Mikroskop liegt bei unter 800 nm. Die hohe Auflösung wird durch den vollständig kollinearen Ausgang des BIGFOOT-Spektrometers ermöglicht, was im Gegensatz zu herkömmlichen ultrafast steht, die eine räumliche Auflösung von nur etwa 30 µm aufweisen. Die Spotgröße ermöglicht nicht nur die Aufnahme hochauflösender Bilder, sondern auch den Einsatz von Lasern mit hoher Wiederholfrequenz bei 80 MHz anstelle von verstärkten Lasersystemen. Die durch BIGFOOT ermöglichte mehr als 30-fache Verkleinerung des Fokuspunkts entspricht einer 2500-fachen Verkleinerung der Anregungsfläche und entsprechend geringeren Pulsenergien, die für eine gleichwertige nichtlineare Reaktion benötigt werden. Daher ist das BIGFOOT-Spektrometer mit Laseroszillatoren wie dem Vitara kompatibel, die eine hohe Wiederholfrequenz und ein geringes Rauschen aufweisen. Die Vorteile sind verkürzte Pixelverweilzeiten bei der Bildgebung und Scan-Dauern in der Spektroskopie, was die Datenerfassung erheblich beschleunigt.

Die Auflösungsfähigkeiten der mehrdimensionalen kohärenten Spektroskopie

In manchen Fällen benötigen Forscher mehr Informationen über ihre Probe, insbesondere wenn sie die Kopplung zwischen Resonanzen untersuchen oder die zeitlichen Kohärenzeigenschaften (Dephasierung) ihrer Proben ermitteln wollen. In diesem Fall greifen Forscher auf die mehrdimensionale kohärente Spektroskopie (MDCS) zurück. Bei der MDCS werden die Sonden- und Pumpimpulse spektral aufgelöst, wodurch zweidimensionale Spektren entstehen, die Absorption Emissionsenergien miteinander in Beziehung setzen. Ein beispielhaftes MDCS-Spektrum für eine_{MoSe2/WSe2-Heterostruktur} ist in Abb. 4 dargestellt. Die beiden Peaks auf der Diagonalen (rote gestrichelte Kästchen) mit identischen Absorption Emissionsenergien sind Signaturen der_MoSe2- und_{WSe2-A-Exzitonen}. Die beiden Peaks außerhalb der Diagonalen (gelbe gestrichelte Kästchen) mit unterschiedlichen Absorption Emissionsenergien weisen auf eine Kopplung zwischen den Exzitonen hin. Durch Variieren der Pump-Probe-Verzögerung wird die zeitabhängige Natur der Kopplung sichtbar. Die breite Bandbreite des Vitara in diesem Experiment die gleichzeitige Anregung sowohl der_MoSe2- als auch_{der WSe2-A-Exzitonen}. Der Fourier-Transform-Spektroskopie-Ansatz des BIGFOOT ermöglicht eine per Software einstellbare Bandbreite und spektrale Auflösung, und das alles bei höheren Datenerfassungsgeschwindigkeiten als bei herkömmlichen ultrafast .

Abbildung 4: Beispielhaftes MDCS-Spektrum für eine_{MoSe₂/WSe₂} -Heterostruktur. Mit freundlicher Genehmigung von Torben Purz.

Erforschung der zeitlichen Kohärenz für die Quanteninformationswissenschaft

Die Quanteninformationswissenschaft erfordert lange Qubit-Kohärenzzeiten für komplexe Berechnungen. MDCS ist ein nützliches Werkzeug zur Messung der optischen Eigenschaften von Materialien mit Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft, da es die einzigartige Fähigkeit besitzt, homogene Linienbreiten und Kopplungen in Materialien mit großer Inhomogenität zu messen. MDCS ist daher ein hervorragendes Charakterisierungswerkzeug für die Quanteninformationswissenschaft. TMDs sind eine vielversprechende Gruppe von Quantenmaterialien, doch ist überraschend wenig über ihre Kohärenzzeiten und deren Variation zwischen den Proben bekannt. Hier charakterisieren wir die Kohärenzeigenschaften von TMDs mithilfe von MDCS. Ein typisches nichtlineares Bild einer_{MoSe2-Monoschicht} bei kryogenen Temperaturen (5 K) ist in Abb. 5(a) dargestellt.

Abbildung 5 : (a) FWM-Aufnahme einer_{MoSe₂-Monoschicht} bei kryogenen Temperaturen (5 K). (b) MDCS-Spektrum an Position A (roter gestrichelter Rahmen in (a)). (c) MDCS-Spektrum an Position B (gelber gestrichelter Rahmen in (a)) [1].

Die einlagige Flocke weist eine erhebliche Inhomogenität in der FWM-Intensität auf, die mit einem Riss in der Mitte der Probe zusammenfällt. Eine weitere Analyse mittels MDCS an zwei Stellen der Probe (Abb. 5(b, c)) zeigt, dass der mittlere Bereich zudem eine deutlich größere inhomogene Verbreiterung aufweist, was sich an der Stelle B entlang der Diagonalen (gestrichelte Linie) als Ausdehnung des Spektrums manifestiert. Die Inhomogenität deutet auf starke spannungsinduzierte Resonanzverschiebungen für die Exzitonen innerhalb des 800-nm-Anregungsbereichs hin.

Eine Anpassung der Linienbreite über die Diagonale quantifiziert die homogene Linienbreite, die umgekehrt proportional zur Kohärenzzeit ist. So ergeben beispielsweise die Anpassungen der Linienbreite über die Diagonale in den Abbildungen 5(b, c) optische Kohärenzzeiten von etwa 900 fs, was unter der für ein funktionsfähiges Qubit erforderlichen Kohärenzzeit liegt, sofern die Qubit-Operationen nicht ultrafast ablaufen.

MDCS in Verbindung mit Mikroskopie ermöglicht zudem die Visualisierung der Robustheit der kohärenten Kopplung zwischen Exzitonen und Ladungstransfer in einer_{MoSe₂/WSe₂-Heterostruktur}. Die Integration über den_{MoSe₂/WSe₂-} Kopplungspeak (unten rechts in Abb. 4) bei variierender Pump-Probe-Verzögerung führt zu den in Abb. 6(a) gezeigten Kopplungsbildern. Die Probe weist eine starke Verformung auf, was sich in den deutlichen Resonanzverschiebungen über die gesamte Probe hinweg zeigt.

Abbildung 6: (a) Integriertes FWM-Bild des_{MoSe₂/WSe₂-Kopplungspeaks} (unten rechts in Abb. 3) als Funktion der Pump-Probe-Verzögerung T. (b) Integriertes FWM als Funktion der Pump-Probe-Verzögerung T entlang der drei Pfeile in (a) [1].

Abb. 6(a) zeigt eine räumliche Karte der Entwicklung des Kopplungspeaks in Abhängigkeit von der Pump-Probe-Verzögerung T. Dies ist eine Möglichkeit, diesen fünfdimensionalen Datensatz aufzuschlüsseln, um zu verdeutlichen, wie die physikalische Natur der Kopplung zwischen den Schichten zu verstehen ist. In 6(b) zeigen die Schwankungen des Kopplungspeaks bei frühen Impulsverzögerungen das Ausmaß der kohärenten Kopplung im Material. Die Stärke des Kopplungspeaks bei späteren Impulsverzögerungen gibt Aufschluss über die Stärke und räumliche Gleichmäßigkeit des Ladungstransfers. Die Datenkurven in 6(b) wurden für viele Pixel entlang jeder farbigen Linie im Bild 6(a) aufgezeichnet, um die Reproduzierbarkeit der Schwankungen an verschiedenen Probenbereichen zu veranschaulichen.

Trotz der kurzen Pixelverweildauer von nur 30 µs beim NESSIE-Laserscanning-Mikroskop dauert die Erfassung der hier vorgestellten vollständigen fünfdimensionalen Messungen über eine Stunde. Die hohe Stabilität und das geringe Rauschen Vitarasowie die hohe interferometrische Stabilität des BIGFOOT ermöglichen es jedoch, dass diese Messungen über Stunden hinweg stabile Ergebnisse liefern.

Der Weg zu einer schnelleren Materialprüfung

Um eine In-situ-Charakterisierung während des Materialwachstums und der Fertigung zu ermöglichen, ist die Kombination von vollständigem MDCS mit Mikroskopie nicht schnell genug. Stattdessen können MDCS-Modalitäten wie Dephasierung und Populationsdynamik durch null- oder eindimensionale Scans im Zeitbereich erfasst werden, die das ultrafast MONSTR ultrafast in weniger als einer Minute aufnimmt. Diese null- oder eindimensionalen Scans reichen oft für die In-situ- oder Inline-Charakterisierung des Materialwachstums aus, bei der der Durchsatz entscheidend ist.

Abbildung 7: (a) Weißlichtmikroskopische Aufnahme einer mittels CVD hergestellten, nicht eingekapselten_{WSe₂-Monoschicht}. (b) Absorptionsbild der_{WSe₂-Monoschicht}. (c) FWM-Bild der_{WSe₂-Monoschicht} [2].

Darüber hinaus lassen sich mit einem einfachen statischen FWM-Bild Bereiche mit außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Entphasierung oder Populationslebensdauern, aufzeigen, wobei die Erfassung deutlich schneller erfolgt. Ein Vergleich zwischen (a) Weißlichtmikroskopie und (b) resonanter linearer Reflexion mit (c) FWM-Bildgebung bei Raumtemperatur ist in Abb. 7 dargestellt.

Während das Weißlichtmikroskopiebild in Abb. 7(a) und das lineare Reflexionsbild in Abb. 7(b) eine räumliche Inhomogenität zeigen, die durch Rückstände aus dem Transferprozess verursacht wird, weist das FWM-Bild in Abb. 7(c) einen höheren Kontrast und deutlichere Merkmale auf als die Bilder in Abb. 7(a) und (b).

Abbildung 8: (a) Bild der Phasenverschiebungszeit der_{WSe₂-Monoschicht} bei Raumtemperatur (b) Bild der schnell abklingenden Komponente der Populationslebensdauer. (c) Bild der langsam abklingenden Komponente der Populationslebensdauer [2].

Die unterschiedlichen FWM-Merkmale führen zu unterschiedlichen Phasenverschiebungszeiten, wie in Abb. 8(a) dargestellt. Die Pulsdauer, die durch die Abstimmung der breiten Vitara und die Kompensation der Dispersion festgelegt wird, beträgt 30 fs. Die Bereiche mit deutlich höheren Phasenverschiebungszeiten sind Bereiche mit starken Vielteilcheneffekten. In ähnlicher Weise zeigen die in Abb. 8(b, c) dargestellten Bilder des bi-exponentiellen Abklingens ein ähnliches räumliches Verhalten für das in Abb. 8(c) dargestellte langsame Abklingen. Der deutliche Unterschied in den räumlichen Profilen der schnellen und langsamen Abklingkomponente deutet auf eine räumlich variierende Verteilung des dunklen Zustands in dieser Probe hin.

Zusammenfassung

Wir haben eine innovative und kommerziell erhältliche Anordnung für die mehrdimensionale kohärente Spektroskopie in Verbindung mit Mikroskopie vorgestellt, um räumlich aufgelöste optische Kohärenzzeiten, die kohärente Kopplung zwischen Exzitonen und den Ladungstransfer in einer TMD-Heterostruktur zu untersuchen. Bei Heterostrukturproben zeigen sowohl die kohärente Kopplung als auch der Ladungstransfer eine hohe Homogenität, was den Einsatz von TMDs in größerem Maßstab für Photovoltaik- und Quanteninformationsanwendungen fördert. Dies unterstreicht zudem die Leistungsfähigkeit von MDCS in Verbindung mit Mikroskopie, die es Forschern ermöglicht, die Dynamik ihrer Probe über die gesamte Probe hinweg mit hoher Reproduzierbarkeit zu untersuchen. Die schnell erfassten Phasenverschiebungs- und Populationslebensdauer-Karten geben die Probenqualität genauer wieder als Weißlichtmikroskopie oder resonante lineare Reflexion.

Durch die Kalibrierung der Phasenverschiebungs- und Populationslebensdauerskalas anhand einer makellosen, hochwertigen Probe kann jede Abweichung von der erwarteten Dynamik somit auf eine minderwertige Probenqualität hindeuten. Da diese Messungen zudem deutlich schneller sind als Photolumineszenz- oder Raman-Messungen, eignet sich die FWM-Bildgebung zur schnellen In-situ-Charakterisierung von TMDs und anderen zweidimensionalen Materialien, Galliumarsenid und vielem mehr.

Für diese Messungen wurde der ultrafast Coherent Vitara aufgrund seiner breiten Abstimmbarkeit, großen Bandbreite, hohen Stabilität bei geringem Rauschen und einfachen Handhabung ausgewählt. Zudem erfordert die MDCS-Spektroskopie die gleichzeitige Anregung aller relevanten Resonanzen, was in einer TMD-Heterostruktur nur mit einem Breitbandlaser wie dem Vitara möglich ist. Spektroskopie- und Bildgebungsdaten belegen zudem die Leistungsfähigkeit des ultrafast BIGFOOT und des Laser-Scanning-Mikroskops NESSIE von MONSTR Sense Technologies. Diese Geräte fokussieren den Laser auf einen nahezu Beugung Punkt, was eine hohe Auflösung und eine starke nichtlineare Reaktion unter Verwendung eines Laseroszillators ermöglicht.

Literaturverzeichnis

[1] Torben L. Purz, Eric W. Martin, William G. Holtzmann, Pasqual Rivera, Adam Alfrey, Kelsey M. Bates, Hui Deng, Xiaodong Xu und Steven T. Cundiff. „Abbildung dynamischer Exziton-Wechselwirkungen und -Kopplungen in Übergangsmetall-Dichalkogeniden.“ J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022).

[2] Torben L. Purz, Blake T. Hipsley, Eric W. Martin, Ronald Ulbricht und Steven T. Cundiff. „Schnelle multiplexe ultrafast Mikroskopie zur Materialcharakterisierung.“ Opt. Express 30. (25), 45008–45019 (Dez. 2022). DOI:10.1364/OE.472054.