Plasmon-Induced Hot Electron Injection and Local Surface Potential Modification in WS2/Au-Nanogratings

Abstract

The integration of transition metal dichalcogenides and metal nanostructures facilitates exciton-plasmon coupling, providing a valuable platform for exploring fascinating physics and innovative applications. This study presents the fabrication of hybrid systems comprising of WS2 multilayer flakes and Au nanogratings (AuNGs), followed by an investigation of their optical and electrical characteristics. Large-area AuNGs were prepared by evaporation of Au thin films onto Blu-ray disc templates. WS2 flakes were then exfoliated directly onto these AuNGs. The reflectance spectra of WS2/AuNGs exhibited polarization and angle dependence, suggesting the surface plasmon polariton (SPP) excitation and SPP-exciton coupling in the visible wavelength range. The surface potential maps obtained by Kelvin probe force microscopy in WS2/AuNGs enabled the visualization of the influence of SPP-exciton coupling on the generation and redistribution of charge carriers. The interlayer charge transfer in WS2 and the SPP-induced hot electron injection from AuNGs to WS2 contributed to the local modification of the potential distribution under light illumination.;Transition metal dichalcogenides와 금속 나노 구조의 결합은 exciton-plasmon coupling을 용이하게 하므로 물리적 현상 탐구 뿐만 아니라 혁신적인 응용으로의 토대를 제공한다. 이 연구에서는 수 층의 WS2 와 Au nanogratings (AuNGs)로 이루어진 혼합 구조를 만들어 광학적 특성과 전기적인 특성 연구를 진행하였다. 대면적의 AuNGs는 Blu-ray disc에 Au 박막을 증착하여 얻었다. 그렇게 얻은 AuNGs 위에 WS2가 박리되었다. WS2/AuNGs의 반사율 스펙트럼들은 편광과 각도에 의존하는 특성을 보였고 surface plasmon polariton (SPP) 여기와 SPP-exciton coupling이 가시광 영역에서 일어날 수 있음을 보여주었다. Kelvin probe force microscopy로 얻은 WS2/AuNGs의 표면전위는 SPP-exciton coupling이 전하의 생성과 재배치에 미치는 영향을 시각화하여 보여주었다. WS2의 층간 전하 이동과 SPP로 인해 만들어진 hot electron이 AuNGs에서 WS2로 주입되는 과정들은 빛을 비추었을 때 전위의 분포를 국소적으로 바꾸는데 기여하였다.