高质量石墨烯中的热载流子冷却本质上受光学声子限制
介观与纳米尺度物理
2021-03-08 v1 材料科学
应用物理
摘要
许多有前景的光电器件，如宽带光电探测器、非线性频率转换器和数据通信系统的构建模块，都利用了石墨烯中的光激发载流子。对于这些系统，理解并最终控制光诱导热载流子分布的冷却动力学至关重要。然而，关于促成热载流子冷却的不同机制仍存在活跃争论。特别是，最终限制冷却动力学的本征冷却机制仍是一个悬而未决的问题。在此，我们通过研究两个与技术相关的系统来解决这一问题，它们由迁移率>10,000 cmVs的高质量石墨烯以及不能有效从石墨烯吸收电子热的环境组成：WSe封装石墨烯和悬浮石墨烯。我们在室温下使用超快泵浦-探测光谱研究这两种高质量石墨烯系统的冷却动力学。在这些系统中，通过无序辅助声学声子散射和向环境的面外热传递的冷却相对低效，预测冷却时间为数十皮秒。然而，我们观察到快得多的冷却，时间尺度为几皮秒。我们将其归因于一种本征冷却机制，即热载流子分布中具有足够动能的载流子发射光学声子。在声子发射过程中，电子系统不断重新热化，重新产生具有足够能量发射光学声子的载流子。我们建立了一个解析模型来解释观察到的动力学，其中冷却最终受光学声子到声学声子耦合的限制。这些对石墨烯中热载流子本征冷却机制的基本认识将在指导基于石墨烯的光电器件开发中发挥关键作用。
引用
@article{arxiv.2103.03527,
title = {Hot-Carrier Cooling in High-Quality Graphene is Intrinsically Limited by Optical Phonons},
author = {Eva A. A. Pogna and Xiaoyu Jia and Alessandro Principi and Alexander Block and Luca Banszerus and Jincan Zhang and Xiaoting Liu and Thibault Sohier and Stiven Forti and Karuppasamy Soundarapandian and Bernat Terrés and Jake D. Mehew and Chiara Trovatello and Camilla Coletti and Frank H. L. Koppens and Mischa Bonn and Niek van Hulst and Matthieu J. Verstraete and Hailin Peng and Zhongfan Liu and Christoph Stampfer and Giulio Cerullo and Klaas-Jan Tielrooij},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.03527},
year = {2021}
}