Генерация терагерцевого излучения с поверхности объемного слоистого и монослойного диселенида вольфрама

Исследование сверхбыстрого лазерного взаимодействия с графеноподобными материалами на основе дихалькогенидов переходных металлов привлекает большое количество научных коллективов. В первую очередь это связано с потенциальным использованием этих материалов в гибких оптоэлектронных устройствах видимого и терагерцевого диапазона (ТГц-диапазона). В работе проанализированы параметры генерации терагерцевого поля с поверхности объемного слоистого кристалла и монослойной пленки диселенида вольфрама. Генерация терагерцевого излучения с поверхности экспериментальных образцов была исследована методом терагерцевой спектроскопии временного разрешения в геометрии на отражение. Объемный слоистый кристалл диселенида вольфрама был выращен методом газотранспортных реакций. Монослойные кристаллиты диселенида вольфрама были получены методом химического осаждения из газовой фазы. Ширина спектра генерируемого терагерцевого излучения с поверхности объемного слоистого кристалла диселенида вольфрама составила ~ 3.5 ТГц. Для монослойной пленки диселенида вольфрама этот показатель составил ~ 2.5 ТГц. Пиковое значение амплитуды генерируемого терагерцевого поля для обоих образцов соответствовало частоте ~ 1 ТГц. Изучено влияние угла поворота плоскости поляризации оптической фемтосекундной накачки на величину размаха колебания импульса терагерцевого поля, генерируемого с поверхности объемного слоистого кристалла и монослойной пленки диселенида вольфрама. Симметрийный анализ азимутальной зависимости ТГц-излучения позволил разделить механизмы этого излучения и оценить их вклад. На основе результатов анализа было подтверждено, что единственно возможным вкладом в генерацию терагерцевого излучения в монослойном кристалле диселенида вольфрама выступает нелинейно-оптический эффект второго порядка – оптическое выпрямление. В объемном слоистом кристалле диселенида вольфрама одним из вкладов в генерацию терагерцевого излучения является нелинейно-оптический эффект третьего порядка – поверхностное оптическое выпрямление.

двумерные полупроводники, дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), диселенид вольфрама (WSe2), ТГц-спектроскопия временного разрешения

1. Kumar A., Ahluwalia P.K. Electronic structure of transition metal dichalcogenides monolayers 1H-MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te) from ab-initio theory: new direct band gap semiconductors. Eur. Phys. J. B. 2012;85(6.):186-193. https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-30070-x

2. De Fazio D., Goykhman I., Yoon D., Bruna M., Eiden A., Milana S., Sassi U., Barbone M., Dumcenco D., Marinov K., Kis A., Ferrari A.C. High Responsivity, Large-Area Graphene/MoS2 Flexible Photodetectors. ACS Nano. 2016;10(9):8252-8262. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05109

3. Gorbatova A.V., Khusyainov D.I., Buryakov A.M. Terahertz Emission from a Monolayer Tungsten Diselenide Surface. Tech. Phys. Lett. 2019;45(12):1262-1265. https://doi.org/10.1134/S1063785019120204

4. Zhang L., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Yao Z., Du W., Xu X.Terahertz surface emission of d-band electrons from a layered tungsten disulfide crystal by the surface field. Phys. Rev. B. 2017;96(15.):155202-1-155202-8. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155202

5. Huang Y., Zhu L., Zhao Q., Guo Y., Ren Z., Bai J., Xu X. Surface Optical Rectification from Layered MoS2 Crystal by THz Time-Domain Surface Emission Spectroscopy. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017;9(5):4956-4965. https://doi.org/10.1021/acsami.6b13961

6. Sahin H., Tongay S., Horzun S., Fan W., Zhou J., Wu J., Peeters F.M. Anomalous Raman spectra and thickness-dependent electronic properties of WSe2. Phys. Rev. B. 2013;87(16):165409-1-165409-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165409

7. Ribeiro-Soares J., Almeida R.M., Barros E.B., Araujo P.T., Dresselhaus M.S., Cancado L.S., Jorio A. Group theory analysis of phonons in two-dimensional transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B. 2014;90(11):115438-1-115438-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115438

8. Si K., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Zhang L., Yao Z., Xu X. Terahertz surface emission from layered semiconductor WSe2. Appl. Surf. Sci. 2018;448:416-423. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.117

9. Gaivoronskii V.Y., Nazarov M.M., Sapozhnikov D.A., Shepelyavyi Y.V., Shkel՚nyuk S.A., Shkurinov A.P., Shuvaev A.V. Competition between linear and nonlinear processes during generation of pulsed terahertz radiation in a ZnTe crystal. Quantum Elec. 2005;35(5):407-414. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n05ABEH002805

10. Beal A.R., Liang W.Y., Hughes H.P. Kramers-Kronig analysis of the reflectivity spectra of 3R-WS2 and 2H-WSe2. J. Phys. C: Solid State Phys. 1976;9(12):2449-2457. https://doi.org/10.1088/0022-3719/9/12/027