Dvodimenzionalni (2D) dihalkogenidi prijelaznih metala (TMD) pokazuju iznimna optička i elektronička svojstva, uključujući podesive energetske procjepe i snažnu interakciju svjetlosti i tvari, što ih čini idealnim platformama za razvoj uređaja nove generacije. TMD-ovi plemenitih metala predstavljaju relativno slabo istraženu podskupinu, premda posjeduju niz karakterističnih svojstava. Posebno se ističu PdSe₂ i PdS₂, koji se strukturno razlikuju od ostalih TMD-ova. Njihova se kristalna struktura temelji na izrazito anizotropnoj ortorombskoj slojevitoj građi izgrađenoj od naborane pentagonalne mreže, poznate i kao 2O faza.
Naš kolega Vedran Brusar predvodio je tim znanstvenika s Instituta za fiziku i Instituta Ruđer Bošković, dok su uzorci PdS₂ sintetizirani na Sveučilištu Yunnan (Narodna Republika Kina). U nedavno objavljenom radu autori su opisali stacionarna i ultrabrza optička svojstva višeslojnog filma PdS₂ primjenom polarizacijski ovisne Ramanove spektroskopije i mikroskopije stvaranja drugog harmonika (SHG), elipsometrije te ultrabrzih mjerenja diferencijalne reflektancije. Na temelju tih mjerenja određena je dielektrična funkcija materijala, utvrđen indirektni energetski procjep od 1,25 eV te potvrđena prisutnost 2O faze. Ultrabrza mjerenja otkrivaju dinamiku na više vremenskih skala, uključujući pomak prema višim energijama tijekom relaksacije fotopobuđenih nositelja naboja, kao i koherentne fononske oscilacije optičkog moda Ag₁. Zajedno, ovi rezultati pružaju cjelovitu sliku stacionarnih i ultrabrzih svojstava PdS₂ te povezuju njegov optički odziv u ravnotežnom stanju s neravnotežnom dinamikom nositelja naboja i fonona. U ovom radu su po prvi puta predstavljeni rezultati mjerenja elipsometrije, SHG mikroskopije i ultrabrze tranzijentne spektroskopije na višeslojnom PdS₂.
Ultrabrza širokopojasna mjerenja diferencijalne reflektancije (DR) korištena su za istraživanje dinamike fotopobuđenih nositelja naboja i koherentnog fononskog odziva. Budući da energija fotona pobudnog pulsa (2,8 eV) znatno premašuje energetski procjep materijala, elektroni se učinkovito pobuđuju iz valentne u vodljivu vrpcu, pri čemu nastaje plazma vrućih elektrona i šupljina. Nakon pobude, neravnotežna raspodjela nositelja naboja relaksira prema termaliziranom stanju putem elektron-elektron i elektron-fonon raspršenja, nakon čega slijedi hlađenje nositelja naboja prema ekstremima rubova energetskih vrpci. Mapa diferencijalne reflektancije PdS₂ u ranim vremenima nakon pobude prikazana je na slici 2, zajedno s odabranim spektrima pri različitim kašnjenjima probnog impulsa te vremenskim ovisnostima pri odabranim valnim duljinama.
Kao i kod srodnih materijala, neposredno nakon ultrabrze optičke pobude dolazi do renormalizacije energetskog procjepa (bandgap renormalization, BGR) uslijed pojačanog zasjenjenja Coulombova potencijala fotopobuđenim nositeljima naboja, što dovodi do smanjenja efektivnog energetskog procjepa. Postupno smanjenje zasjenjenja tijekom prvih nekoliko pikosekundi rezultira oporavkom energetskog procjepa i pomakom apsorpcijskog ruba prema višim energijama. Istodobno, hlađenje nositelja naboja i njihova preraspodjela prema ekstremima energetskih vrpci dovode do popunjavanja stanja u blizini ruba vrpce, čime se dodatno mijenja efektivna apsorpcija. Zbog strmog profila apsorpcije u tom spektralnom području, ove promjene uzrokuju značajne promjene apsorpcijskog koeficijenta te, posljedično, imaginarnog i realnog dijela indeksa loma putem Kramers–Kronigovih relacija, što rezultira opaženim odzivom diferencijalne reflektancije. Dinamika oporavka fotopobuđenog odziva u kasnijim vremenima, kada prevladavaju ohlađeni nositelji naboja, odražava doprinos više rekombinacijskih mehanizama, uključujući intrinzičnu rekombinaciju, procese posredovane kristalnom rešetkom te rekombinaciju potpomognutu defektima ili površinskim stanjima.
Važnost ovog istraživanja proizlazi iz obećavajućih funkcionalnih svojstava PdS₂ filmova, koji su već primijenjeni u izradi tranzistora s učinkom polja (FET) i širokopojasnih fotodetektora, pri čemupokazuju visoku pokretljivost nositelja naboja i snažan fotoodziv. Višeslojni nanolistići PdS₂ korišteni su i kao saturabilni apsorberi, omogućujući dvostruko Q-preklopljenu i sinkroniziranu (mode-locked) optičku parametarsku oscilaciju, a primijenjeni su i u ultrabrzim vlaknastim laserima te pasivnim fotoničkim komponentama. Detaljno poznavanje stacionarnih i ultrabrzih tranzijentnih optičkih svojstava ovog materijala može biti od ključne važnosti za daljnji razvoj navedenih primjena.
Cijeli rad dostupan je na poveznici: doi.org/10.1039/d6nr00537c