石墨烯中非平衡狄拉克载流子分布的瞬态快照

石墨烯的光学性质因其线性能带结构和狄拉克点处态密度为零而独特。有人提出，即使没有半导体带隙，狄拉克点处的弛豫瓶颈也可能允许粒子数反转和任意长波长的激光发射。此外，在光收集应用中讨论了通过碰撞电离实现高效载流子倍增。然而，所有这些效应很难通过仅测量瞬态光学性质来定量测试，因为这些性质仅间接反映能量和动量依赖的载流子分布。这里，我们使用时间分辨和角分辨光电子能谱，结合31.5 eV光子能量的飞秒极紫外(EUV)脉冲，直接探测布里渊区K点附近狄拉克电子的非平衡响应。在轻空穴掺杂的外延石墨烯样品中，我们探索了中红外和近红外激发，分别低于和高于直接带间跃迁的最小光子能量。虽然中红外激发仅导致平衡载流子分布加热，但带间激发引起粒子数反转，表明太赫兹激光发射可能实现。然而，在两种激发模式下，我们都没有发现载流子倍增的迹象，这质疑了石墨烯在光收集中的适用性。时间分辨EUV光电子能谱成为评估新材料是否适用于光电子学的首选技术，提供了所有能量和波矢下非平衡载流子的定量精确测量。