Search

Van der Waals materials exhibit naturally passivated surfaces and can form versatile heterostructures, enabling observation of carrier transport mechanisms not seen in three-dimensional materials. Here we report observation of a "band bending junction", a new type of semiconductor homojunction whose surface potential landscape depends solely on a difference in thickness between the two semiconductor regions atop a buried heterojunction interface. Using MoS2 on Au to form a buried heterojunction interface, we find that lateral surface potential differences can arise in MoS2 from the local extent of vertical band bending in thin and thick MoS2 regions. Using scanning ultrafast electron microscopy, we examine the spatiotemporal dynamics of photogenerated charge carriers and find that lateral carrier separation is enabled by a band bending junction, which is confirmed with semiconductor transport simulations. Band bending junctions may therefore enable new electronic and optoelectronic devices in Van der Waals materials that rely on thickness variations rather than doping to separate charge carriers., Comment: 16 pages, 4 figures

Mental fatigue is a common phenomenon with implicit and multidimensional properties. It brings dynamic changes of functional brain networks. However, the challenging problem of false positives appears when the connectivity is estimated by Electroencephalography (EEG). In this paper, we propose a novel framework based on spatial clustering to explore the sources of mental fatigue and functional activity changes caused by them. To suppress the false positive observations, spatial clustering is implemented in brain networks. The nodes extracted by spatial clustering are registered back to functional magnetic resonance imaging (fMRI) source space to determined the sources of mental fatigue. The wavelet entropy of EEG in a sliding window is calculated to find the temporal features of mental fatigue. Our experimental results show that the extracted nodes correspond to the fMRI sources across different subjects and different tasks. The entropy values on the extracted nodes demonstrate clearer staged decreasing changes (deactivation). Additionally, the synchronization among the extracted nodes is stronger than that among all the nodes in the deactivation stage. The initial time of the strong synchronized deactivation is consistent with the subjective fatigue time reported by the subjects themselves. It means the synchronization and deactivation corresponds to the subjective feelings of fatigue. Therefore, this functional activity pattern may be caused by the sources of mental fatigue. The proposed framework is useful for a wide range of prolonged functional imaging and fatigue detection studies. peerReviewed

International audience; We propose a variational model for joint image reconstruction and motion estimation applicable to spatiotemporal imaging. This model consists of two parts, one that conducts image reconstruction in a static setting and another that estimates the motion by solving a sequence of coupled indirect image registration problems, each formulated within the large deformation diffeomorphic metric mapping framework. The proposed model is compared against alternative approaches (optical flow based model and diffeomorphic motion models). Next, we derive efficient algorithms for a time-discretized setting and show that the optimal solution of the time-discretized formulation is consistent with that of the time-continuous one. The complexity of the algorithm is characterized and we conclude by giving some numerical examples in 2D space + time tomography with very sparse and/or highly noisy data

Ultrafast nano-optics is a new and quickly evolving research field centred around the control, manipulation, and application of light on a nanometre and femtosecond scale. This can lead to improved electro-optical devices, more sensitive spectroscopy, and real-time control of chemical reactions. However, understanding the simultaneous nanometre and femtosecond evolution of nano-optical fields requires characterization methods with ultrahigh spatiotemporal resolution. A method that during the past 15 years has shown great promise for such studies is photoemission electron microscopy (PEEM) in combination with ultrashort laser pulses. Both PEEM, nanostructure fabrication methods, and a large variety of pulsed light sources are under rapid parallel development, leading also to quickly increasing possibilities of nanometre and femtosecond characterization. This thesis explores the combination of PEEM with various state-of-the-art lab-based sources of femtosecond and attosecond pulses with wavelengths spanning from 30 nm to 1.55 µm for studies of ultrafast nano-optics. It is based on experiments carried out with five different laser systems, studying light interaction with tailored metallic and semiconducting nanostructures. The work comprises construction of new experimental setups, PEEM measurements, development of data analysis tools, and complementary investigations using techniques such as scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning tunnelling microscopy. Using few-cycle pulses from an ultra-broadband Ti:sapphire oscillator, localized surface plasmons in metallic nanostructures were studied with a temporal resolution down to a few femtoseconds. Metallic structures were also studied with PEEM using femtosecond pulses in the telecommunication wavelength regime. Other light sources employed include an optical parametric chirped pulse amplification system, with which anisotropy effects in semiconductor nanowires were studied. Finally, the thesis explores the use of extreme ultraviolet attosecond pulse trains produced by high-order harmonic generation (HHG) as light source for PEEM. Working with 1 kHz repetition rate, the spatial resolution was found to be limited by space charge effects to a few hundred nanometres. However, with a new HHG system working at 200 kHz repetition rate, the resolution was improved by a factor of 2—3, along with a reduction in acquisition time by an order of magnitude. Novel high-repetition rate attosecond light sources are therefore expected to play a key role in pushing the temporal resolution of PEEM into the attosecond regime. Nanotekniken håller i skrivande stund på att revolutionera samhället med nya innovationer inom exempelvis elektronik och medicin. En viktig del i detta är utvecklingen av nya och förbättrade sätt att avbilda strukturer av nanometerstorlek (en nanometer är en miljarddels meter). Avancerade karakteriseringsmetoder skapar en ökad förståelse för hur nanostrukturer beter sig, vilket är en förutsättning för utvecklingen av nya komponenter. Särskilt viktiga är metoder för att karakterisera egenskaper hos ytor, eftersom ytan hos ett material får större effekt ju mindre partiklar materialet består av. På ett mer fundamentalt plan har forskare de senaste decennierna lyckats mäta snabbare och snabbare processer, ända ned på en skala av femtosekunder och attosekunder. En femtosekund är en miljondels miljarddels sekund, och en attosekund är tusen gånger kortare. Det går ungefär dubbelt så många attosekunder på en sekund som det har gått sekunder sedan Big Bang. Genom att skapa ljuspulser som bara varar i ett hundratal attosekunder går det därför att mäta hur fort grundläggande processer inuti atomer går. Denna jakt på att kunna mäta mindre strukturer och snabbare processer kan liknas vid dagens IT-samhälle. Mobiltelefoner får plats i fickan men kan ändå utföra många processer samtidigt och lagra stora mängder data. Detta har möjliggjorts genom miniatyriseringen av elektroniska komponenter. När telefonen används för att kommunicera med är prioriteringen i stället att signalerna ska sändas fort, med många bitar information per sekund. Därför används elektromagnetiska vågor som signaler genom luften och genom optiska fibrer. En stor utmaning är att koppla samman dessa teknologier för att skapa komponenter och kretsar som samtidigt är små och snabba. Det är här forskningen kring ultrasnabb nano-optik kommer in. Ljus är det absolut snabbaste som finns, men kan normalt sett inte koncentreras på en skala mindre än dess våglängd, som är hundratals nanometer (i detta sammanhang ansett som ett långt avstånd). Nano-optik handlar om att kringgå detta genom att skapa ytor av olika material och former för att koncentrera ljuset ytterligare. Metalliska nanostrukturer är särskilt bra på detta genom en speciell sorts ”partikel”, kallad ytplasmon, som uppkommer genom att ljuset växelverkar med elektronerna i metallen. Forskningsfältet kring ytplasmoner kallas för plasmonik, och utgör en viktig del av nano-optiken. För att förstå ljusets extremt snabba rörelser i nanostrukturer krävs avbildningstekniker som samtidigt kan mäta ljus på en liten längdskala och kort tidsskala. Ett av de mest framgångsrika instrumenten för detta är fotoemissionselektronmikroskopet, som skapar en kraftigt förstorad bild av elektroner som avges från en yta när den träffas av ljus. återigen ligger styrkan i att kombinera de små elektronerna med det snabba ljuset. Fotoemissionselektronmikroskopet har använts för att studera ultrasnabb nano-optik sedan 2001, med mer och mer avancerade experimentuppställningar. Den här avhandlingen handlar om användningen av nya typer av avancerade laserljuskällor för att studera ultrasnabb nano-optik i fotoemissionselektronmikroskop. En av de nya ljuskällorna visar sig kunna avbilda hur ljuset svänger olika snabbt i olika delar av en nanopartikel under ett fåtal femtosekunder. En annan kan användas för att studera hur ljuset växelverkar med specialdesignade nanotrådar av halvledarmaterial. Ytterligare en typ av ljuskälla utforskas på grund av dess förmåga att sända ut pulser på attosekundskalan. Tillsammans visar experimenten hur de senaste årens utveckling inom laserfysiken ger upphov till många nya möjligheter för karakterisering av ljusets växelverkan med nanostrukturer. Nya karakteriseringsmetoder är en förutsättning för en ökad förståelse för nano-optik, en teknologi som kan leda till såväl förbättrade solceller som optiska logiska kretsar med överlägsen hastighet.