Quantifying nanoscale carrier diffusion with ultrafast optical and photocurrent microscopy

Abstract

Heat transport in solids is one of the oldest problems in physics, dating back to the earliest formulations of thermodynamics. The classical laws of heat conduction are valid as long as the observed time and length scales are larger than the relaxation time and mean free path of the underlying microscopic heat carriers, such as electrons and phonons. With the advent of ultrafast lasers and nanoscale systems these regimes can now be surpassed and new refined models of heat transport are needed. In particular, the interaction of ultrashort light pulses with matter can excite electrons to high temperatures, leading to a local non-equilibrium of electrons and phonons. Under these conditions, also the transport properties of the carriers are altered. So far, these effects have typically been studied in the time domain. The cooling of photo-excited hot electrons has been studied both in metals as well as novel 2D materials, such as graphene. However, due to a lack of spatio-temporal resolution, it has not been possible to distinguish the effects of hot-electron diffusion from other cooling mechanisms, such as electron-phonon coupling. In this thesis, I directly track such ultrafast heat and carrier diffusion in space and time with ultrafast microscopy. By using the recently developed technique of probe-beam-scanning transient-absorption microscopy on thin gold films I directly resolve, for the first time, a transition from hot-electron diffusion to phonon-limited diffusion on the picosecond timescale. I support the understanding of these complex dynamics by theoretical modeling of the thermo-optical response based on a two-temperature model. I apply the same technique to study hot carrier diffusion in atomically thin monolayer graphene. By comparing differently prepared samples, I study the strong influence of external parameters, such as production type, substrate, and environment on carrier diffusion. Finally, I study hot carrier diffusion in exfoliated and encapsulated graphene devices with a novel technique of ultrafast spatio-temporal photocurrent microscopy based on the photothermoelectric effect. I extract diffusion dynamics for electrically characterized samples with the help of theoretical spatio-temporal modeling, thereby testing the fundamental relationship between electrical and thermal carrier transport. The precise quantification of ultrafast and nanoscale carrier transport with these state-of-the-art techniques leads to a broader understanding of non-equilibrium dynamics and could ultimately help the design, optimization, and heat management of the next generation of ultra-compact (opto-) electronic devices, such as solar cells, photodetectors, or integrated circuits.

El transporte de calor en sólidos es uno de los problemas más antiguos de la física, que se remonta a las primeras formulaciones de la termodinámica. Las leyes clásicas de la conducción de calor son válidas cuando las escalas de tiempo y longitud observadas sean mayores que el tiempo de relajación y la trayectoria libre media de los portadores de calor microscópicos subyacentes, como los electrones y los fonones. Con la llegada de los láseres ultrarrápidos y los sistemas a nanoescala, estos regímenes ahora pueden superarse por lo cual se necesitan nuevos modelos refinados de transporte de calor. En particular, la interacción de pulsos de luz ultracortos con la materia puede excitar electrones a altas temperaturas, lo que lleva a un desequilibrio local de electrones y fonones. En estas condiciones, también se modifican las propiedades de transporte de los portadores de calor. Hasta ahora, estos efectos han sido típicamente estudiados en el dominio del tiempo. El enfriamiento de electrones calientes fotoexcitados se ha estudiado tanto en metales como en nuevos materiales bidimensionales, como el grafeno. Sin embargo, debido a la falta de resolución espacio-temporal, no ha sido posible distinguir los efectos de la difusión de electrones calientes de otros mecanismos de enfriamiento, como el acoplamiento de electrones y fonones. En esta tesis, hago un seguimiento directo de la difusión del calor y sus portadores en el espacio y el tiempo con microscopía ultrarrápida. Al utilizar la técnica recientemente desarrollada de microscopía de absorción transitoria con escaneo de sonda en películas de oro delgadas, resuelvo directamente, por primera vez, una transición de la difusión de electrones calientes a la difusión limitada por fonones en la escala de tiempo de picosegundos. Apoyo la comprensión de estas dinámicas complejas mediante el modelado teórico de la respuesta termo-óptica basada en un modelo de dos temperaturas. Aplico la misma técnica para estudiar la difusión de portadores calientes en una capa de grafeno atómicamente delgado. Al comparar muestras preparadas de manera diferente, estudio la fuerte influencia de los parámetros externos, como el tipo de producción, el sustrato y el entorno sobre la difusión del portador. Finalmente, estudio la difusión de portadores en dispositivos de grafeno exfoliados y encapsulados con una técnica novedosa de microscopía de fotocorriente espacio-temporal ultrarrápida basada en el efecto fototermoeléctrico. Extraigo dinámicas de difusión para muestras caracterizadas eléctricamente con la ayuda del modelado espacio-temporal teórico, probando así la relación fundamental entre el transporte eléctrico y térmico. La cuantificación precisa del transporte de los portadores ultrarrápido y a nanoescala con estas técnicas de vanguardia lleva a una comprensión más amplia de la dinámica del no equilibrio y podría, en última instancia, ayudar al diseño, la optimización y la gestión del calor de la próxima generación de dispositivos (opto-)electrónicos ultracompactos, como células solares, fotodetectores o circuitos integrados.