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 () 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.
References
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.
16.
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.
P. B.
Allen
, Phys. Rev. Lett.
59
, 1460
(1987
).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
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.