Atomic scale imaging of ultrafast electron dynamics

超快电子动力学的原子尺度成像

• 批准号: 20H00341
• 负责人: 吉田 昭二
• 金额: $ 29.45万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00341/
• 关键词: 走査トンネル顕微鏡; 走査プローブ顕微鏡; テラヘルツ; 超高速ダイナミクス; 超高速分光; 時間分解計測

本研究では、シングルサイクルのテラヘルツ(THz)パルスと走査トンネル顕微鏡(STM)を組み合わせたTHz-STM装置を開発・改良し、サブピコ秒時間分解能かつ原子分解能で電子ダイナミクスのイメージングすることを目指している。本年度は遷移金属ダイカルコゲナイド単原子層の超高速ダイナミクスの計測を中心に研究を進めた。まず試料の作製方法を改良し、Au/Mica表面上に単層TMDCを転写する新しい方法を確立した。昨年度まで用いてきた方法では単層のみならず2層以上の多層領域が得られることが問題であったが、新手法では単層の比率を100%近くまで向上することに成功した。次に転写したMoS2単層をSTM/AFMを用いて観察した結果, 単原子層がAu表面から離れて浮いている状態(中空サスペンド構造)が点在することが確認された。中空サスペンド構造は10~100nmサイズでドーム状に膨らんだ構造を持つことからMoS2に生じる強い歪みによりバンドギャップが縮小し, 光励起した励起子がドーム内に局在することが期待される。そこで中空サスペンド構造上とその周辺でTHz-STMを用いて時間分解計測を行った。517nmの可視パルス光を用いてMoS2を励起し、その励起状態をTHzパルスにより生じるTHz電流によりプローブした。その結果,中空サスペンド構造上で指数関数減衰が観測され解析により数psと数100 psの2つの時定数をもつことが明らかになった。同様のサスペンド構造上で時間分解発光計測を行ったところ数100 psの緩和時間が得られており、THz-STMの結果と同様の緩和寿命を持つことから、THz-STM計測の信号の起源として励起子の関与が強く示唆された。

In this study, we aim to develop, improve, and improve the THz-STM device by combining THz micromirrors (STM) and electron micromirrors (THz). This year, the research on the measurement center of metal migration and ultra-high-speed technology has been carried out. A new method for the preparation of single layer TMDC on Au/Mica surface was established. Last year, the method of "single layer" and "multi-layer" was used to solve the problem of "single layer" and "new method". The ratio of "single layer" was 100%. Next, the MoS2 layer was observed by STM/AFM. As a result, it was confirmed that the Au layer was in a floating state (hollow structure). The hollow fiber structure is 10~100nm in diameter, and the structure is expanded in shape. The structure is maintained in the range of 10 ~ 100 nm, and the light excitation is started. The time decomposition measurement is performed on the structure. 517nm visible light source MoS2 excitation state THz current generation As a result, the exponential correlation attenuation is measured in the structure of the empty space. The number of ps is 100 ps and the number of time is 2. The time resolution of the same sample is structurally different from the relaxation time of 100 ps in the optical measurement. The result of THz-STM is different from the relaxation time of the same sample. The signal origin of THz-STM measurement is different from the excitation time.

项目成果

Analysis of Trap-related Conduction Dynamics in Atomically Thin Materials by an Optically Excited Multiprobe Setup

通过光激发多探针装置分析原子薄材料中与陷阱相关的传导动力学

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroyuki Mogi;Zi-han Wang;Ibuki Kuroda;Yuhei Takaguchi;Yasumitsu Miyata;Atsushi Taninaka;Yusuke Arashida;Shoji Yoshida;Osamu Takeuchi and Hidemi Shigekawa
• 通讯作者: Osamu Takeuchi and Hidemi Shigekawa

光励起中赤外STMによる時間分解トンネル電流測定

使用光激发中红外 STM 进行时间分辨隧道电流测量

• 发表时间: 2020
• 作者: 五十嵐一歩;石川 雅士;山本 祐揮;嵐田 雄介;吉田 昭二;武内 修;重川 秀実
• 通讯作者: 重川 秀実

時間分解STMを用いた二次元原子層状物質中励起子ダイナミクスのナノイメージング

使用时间分辨 STM 对二维原子层状材料中的激子动力学进行纳米成像

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuya Murai;Shaochun Zhang;Takato Hotta;Zheng Liu;Takahiko Endo;Hiroshi Shimizu;Yasumitsu Miyata;Toshifumi Irisawa;Yanlin Gao;Mina Maruyama;Susumu Okada;Hiroyuki Mogi;Tomohiro Sato;Shoji Yoshida;Hidemi Shigekawa;Takashi Taniguchi;Kenji Wata;小崎海志;梅田 直輝，嵐田 雄介，石川 雅士，畑中 陽，茂木 裕幸，吉田 昭二，武内 修，重川 秀実;Hongjiang Li;平野司;吉田昭二
• 通讯作者: 吉田昭二

100 ps time resolution realized with optical-pump bias-voltage-probe scanning tunneling microscopy

通过光泵偏置电压探针扫描隧道显微镜实现 100 ps 时间分辨率

• 发表时间: 2021
• 作者: O. Takeuchi ;Y. Fujimaki ;T. Kogure ;H. Mogi ;Y. Arashida ;S. Yoshida ;A. Taninaka and H. Shigekawa
• 通讯作者: A. Taninaka and H. Shigekawa

THz 励起-時間分解STM に向けた広帯域赤外パルス合波技術開発

太赫兹激励时间分辨STM宽带红外脉冲复用技术的发展

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuya Murai;Shaochun Zhang;Takato Hotta;Zheng Liu;Takahiko Endo;Hiroshi Shimizu;Yasumitsu Miyata;Toshifumi Irisawa;Yanlin Gao;Mina Maruyama;Susumu Okada;Hiroyuki Mogi;Tomohiro Sato;Shoji Yoshida;Hidemi Shigekawa;Takashi Taniguchi;Kenji Wata;小崎海志;梅田 直輝，嵐田 雄介，石川 雅士，畑中 陽，茂木 裕幸，吉田 昭二，武内 修，重川 秀実
• 通讯作者: 梅田 直輝，嵐田 雄介，石川 雅士，畑中 陽，茂木 裕幸，吉田 昭二，武内 修，重川 秀実