Temperature-dependent (11.0 K−294.5 K) carrier–phonon coupling in Bi2Se3 is investigated by ultrafast pump−probe spectroscopy. The rise time of the differential reflectivity is interpreted by a combined effect of electron temperature relaxation and hot-phonon lifetime. The electron−phonon coupling constant of the bulk state (λ=0.63±0.05) is deduced from theoretical fitting. Increasing hot-phonon lifetime with decreasing temperature is attributed to a decreasing phonon−phonon collision rate. A complete analysis of the thermalization process is presented. Understanding carrier and phonon dynamics is essential for future optoelectronic and spintronic applications of topological insulators.

1.
S.
Sim
,
M.
Brahlek
,
N.
Koirala
,
S.
Cha
,
S.
Oh
, and
H.
Choi
,
Phys. Rev. B
89
,
165137
(
2014
).
2.
Y. H.
Wang
,
D.
Hsieh
,
E. J.
Sie
,
H.
Steinberg
,
D. R.
Gardner
,
Y. S.
Lee
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
N.
Gedik
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
127401
(
2012
).
3.
J. A.
Sobota
,
S.
Yang
,
J. G.
Analytis
,
Y. L.
Chen
,
I. R.
Fisher
,
P. S.
Kirchmann
, and
Z. X.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
117403
(
2012
).
4.
A.
Crepaldi
,
B.
Ressel
,
F.
Cilento
,
M.
Zacchigna
,
C.
Grazioli
,
H.
Berger
,
P.
Bugnon
,
K.
Kern
,
M.
Grioni
, and
F.
Parmigiani
,
Phys. Rev. B
86
,
205133
(
2012
).
5.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
,
A. D.
Bristow
,
M. B.
Holcomb
, and
D.
Lederman
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
151903
(
2013
).
6.
N.
Kumar
,
B. A.
Ruzicka
,
N. P.
Butch
,
P.
Syers
,
K.
Kirshenbaum
,
J.
Paglione
, and
H.
Zhao
,
Phys. Rev. B
83
,
235306
(
2011
).
7.
D.
Hsieh
,
F.
Mahmood
,
J. W.
McIver
,
D. R.
Gardner
,
Y. S.
Lee
, and
N.
Gedik
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
077401
(
2011
).
8.
J.
Qi
,
X.
Chen
,
W.
Yu
,
P.
Cadden-Zimansky
,
D.
Smirnov
,
N. H.
Tolk
,
I.
Miotkowski
,
H.
Cao
,
Y. P.
Chen
,
Y.
Wu
,
S.
Qiao
, and
Z.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
182102
(
2010
).
9.
C. W.
Luo
,
H. J.
Wang
,
S. A.
Ku
,
H. J.
Chen
,
T. T.
Yeh
,
J. Y.
Lin
,
K. H.
Wu
,
J. Y.
Juang
,
B. L.
Young
,
T.
Kobayashi
,
C. M.
Cheng
,
C. H.
Chen
,
K. D.
Tsuei
,
R.
Sankar
,
F. C.
Chou
,
K. A.
Kokh
,
O. E.
Tereshchenko
,
E. V.
Chulkov
,
Y. M.
Andreev
, and
G. D.
Gu
,
Nano Lett.
13
,
5797
(
2013
).
10.
L.
Cheng
,
C.
La-o-Vorakiat
,
C. S.
Tang
,
S. K.
Nair
,
B.
Xia
,
L.
Wang
,
J. X.
Zhu
, and
E. E. M.
Chia
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
211906
(
2014
).
11.
J.
Menendez
and
M.
Cardona
,
Phys. Rev. B
29
,
2051
(
1984
).
12.
B.
Irfan
,
S.
Sahoo
,
A. P. S.
Gaur
,
M.
Ahmadi
,
M. J. F.
Guinel
,
R. S.
Katiyar
, and
R.
Chatterjee
,
J. Appl. Phys.
115
,
173506
(
2014
).
13.
S. S.
Prabhu
and
A. S.
Vengurlekar
,
J. Appl. Phys.
95
,
7803
(
2004
).
14.
A.
Othonos
,
J. Appl. Phys.
83
,
1789
(
1998
).
15.
M.
Kaganov
,
I.
Lifshitz
, and
L.
Tanatarov
,
Sov. Phys. JETP
4
(
2
),
173
(
1957
).
16.
C.
Kittel
,
Introduction to Solid State Physics
(
Wiley
,
1956
).
17.
G. E.
Shoemake
,
J. A.
Rayne
, and
R. W.
Ure
,
Phys. Rev.
185
,
1046
(
1969
).
18.
S. D.
George
,
S.
Augustine
,
E.
Mathai
,
P.
Radhakrishnan
,
V. P. N.
Nampoori
, and
C. P. G.
Vallabhan
,
Phys. Status Solidi A
196
,
384
(
2003
).
19.
J. W.
McIver
,
D.
Hsieh
,
S. G.
Drapcho
,
D. H.
Torchinsky
,
D. R.
Gardner
,
Y. S.
Lee
, and
N.
Gedik
,
Phys. Rev. B
86
,
035327
(
2012
).
20.
21.
X. T.
Zhu
,
L.
Santos
,
C.
Howard
,
R.
Sankar
,
F. C.
Chou
,
C.
Chamon
, and
M.
El-Batanouny
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
185501
(
2012
).
22.
Z. H.
Pan
,
A. V.
Fedorov
,
D.
Gardner
,
Y. S.
Lee
,
S.
Chu
, and
T.
Valla
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
187001
(
2012
).
23.
R. C.
Hatch
,
M.
Bianchi
,
D. D.
Guan
,
S. N.
Bao
,
J. L.
Mi
,
B. B.
Iversen
,
L.
Nilsson
,
L.
Hornekaer
, and
P.
Hofmann
,
Phys. Rev. B
83
,
241303(R)
(
2011
).
24.
H.
Ehrenreich
,
F.
Seitz
, and
D.
Turnbull
,
Solid State Physics
(
Elsevier Science
,
1984
).
25.
W.
Richter
and
C.
Becker
,
Phys. Status Solidi B
84
,
619
(
1977
).
26.
A. D.
LaForge
,
A.
Frenzel
,
B. C.
Pursley
,
T.
Lin
,
X. F.
Liu
,
J.
Shi
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. B
81
,
125120
(
2010
).
You do not currently have access to this content.