Observation of ultrafast interfacial Meitner-Auger energy transfer in a Van der Waals heterostructure

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Shuo Dong - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, CAS - Institute of Physics (Autor:in)
  • Samuel Beaulieu - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, Université de Bordeaux (Autor:in)
  • Malte Selig - , Technische Universität Berlin (Autor:in)
  • Philipp Rosenzweig - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Autor:in)
  • Dominik Christiansen - , Technische Universität Berlin (Autor:in)
  • Tommaso Pincelli - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Autor:in)
  • Maciej Dendzik - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, KTH Royal Institute of Technology (Autor:in)
  • Jonas D. Ziegler - , Professur für Ultraschnelle Mikroskopie und Photonik (ct.qmat), Exzellenzcluster ct.qmat: Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien, ETH Zurich (Autor:in)
  • Julian Maklar - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Autor:in)
  • R. Patrick Xian - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, University of Toronto (Autor:in)
  • Alexander Neef - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Autor:in)
  • Avaise Mohammed - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Autor:in)
  • Armin Schulz - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Autor:in)
  • Mona Stadler - , Universität Stuttgart (Autor:in)
  • Michael Jetter - , Universität Stuttgart (Autor:in)
  • Peter Michler - , Universität Stuttgart (Autor:in)
  • Takashi Taniguchi - , National Institute for Materials Science Tsukuba (Autor:in)
  • Kenji Watanabe - , National Institute for Materials Science Tsukuba (Autor:in)
  • Hidenori Takagi - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, The University of Tokyo, Universität Stuttgart (Autor:in)
  • Ulrich Starke - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Autor:in)
  • Alexey Chernikov - , Professur für Ultraschnelle Mikroskopie und Photonik (ct.qmat), Exzellenzcluster ct.qmat: Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien (Autor:in)
  • Martin Wolf - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Autor:in)
  • Hiro Nakamura - , Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, University of Arkansas System (Autor:in)
  • Andreas Knorr - , Technische Universität Berlin (Autor:in)
  • Laurenz Rettig - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Autor:in)
  • Ralph Ernstorfer - , Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, Technische Universität Berlin (Autor:in)

Abstract

Atomically thin layered van der Waals heterostructures feature exotic and emergent optoelectronic properties. With growing interest in these novel quantum materials, the microscopic understanding of fundamental interfacial coupling mechanisms is of capital importance. Here, using multidimensional photoemission spectroscopy, we provide a layer- and momentum-resolved view on ultrafast interlayer electron and energy transfer in a monolayer-WSe2/graphene heterostructure. Depending on the nature of the optically prepared state, we find the different dominating transfer mechanisms: while electron injection from graphene to WSe2 is observed after photoexcitation of quasi-free hot carriers in the graphene layer, we establish an interfacial Meitner-Auger energy transfer process following the excitation of excitons in WSe2. By analysing the time-energy-momentum distributions of excited-state carriers with a rate-equation model, we distinguish these two types of interfacial dynamics and identify the ultrafast conversion of excitons in WSe2 to valence band transitions in graphene. Microscopic calculations find interfacial dipole-monopole coupling underlying the Meitner-Auger energy transfer to dominate over conventional Förster- and Dexter-type interactions, in agreement with the experimental observations. The energy transfer mechanism revealed here might enable new hot-carrier-based device concepts with van der Waals heterostructures.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer5057
FachzeitschriftNature communications
Jahrgang14
Ausgabenummer1
PublikationsstatusVeröffentlicht - 19 Aug. 2023
Peer-Review-StatusJa

Externe IDs

PubMed 37598179