На працягу многіх гадоў навукоўцы з усяго свету займаюцца дзвюма рэчамі - вынаходзяць і ўдасканальваюць. І часам незразумела, што з гэтага больш складана. Узяць, да прыкладу, звычайныя святлодыёды, якія здаюцца нам гэтак простымі і штодзённымі, што мы і не звяртаем на іх увага. Але калі ў іх дадаць трохі эксітонаў, дробку палярытонаў і дисульфид вальфраму па гусце, святлодыёды ўжо не будуць гэтак празаічныя. Усе гэтыя мудрагелістыя тэрміны з'яўляюцца назовамі вельмі незвычайных кампанентаў, сукупнасць якіх дазволіла навукоўцам з Гарадскога каледжа Нью-Ёрка стварыць новую сістэму, здольную вельмі хутка перадаваць інфармацыю з дапамогай святла. Дадзеная распрацоўка дапаможа ўдасканаліць тэхналогію Li-Fi. Якія менавіта інгрэдыенты новай тэхналогіі былі скарыстаны, які рэцэпт гэтай «стравы» і якая эфектыўнасць працы новага эксітон-палярытоннага святлодыёда? Пра гэта нам раскажа даклад вучоных. Паехалі.
Аснова даследавання
Калі ўсё спрасціць да аднаго слова, то гэтая тэхналогія гэта святло і ўсё, што з ім звязана. Па-першае, палярытоны, якія ўзнікаюць пры ўзаемадзеянні фатонаў з узрушанасці асяроддзя (фанонамі, эксітонамі, плазмонамі, магнонамі і г.д.). Па-другое, эксітоны - электроннае ўзбуджэнне ў дыэлектрыку, паўправадніку або метале, якое мігруе па крышталі і не звязанае з пераносам электрычнага зарада і масы.
Важна адзначыць, што гэтыя квазічасціцы вельмі кахаюць холад, г.зн. назіраць іх актыўнасць можна толькі пры вельмі нізкіх тэмпературах, што моцна абмяжоўвае практычнае прымяненне. Але гэта было раней. У дадзенай працы навукоўцы змаглі пераадолець тэмпературнае абмежаванне і выкарыстоўваць іх пры пакаёвых тэмпературах.
Асноўнай асаблівасцю палярытонаў з'яўляецца магчымасць звязваць фатоны паміж сабой. Фатоны, якія сутыкаюцца з атамамі рубідыя, набываюць масу. Падчас шматразовых сутыкненняў фатоны адскокваюць сябар ад сябра, але ў рэдкіх выпадках фармуюць пары і трыплет, пры гэтым губляючы атамны складнік, прадстаўленую атамам рубідыя.
Але, каб зрабіць нешта са святлом, яго трэба злавіць. Для гэтага і патрэбен аптычны рэзанатар, які ўяўляе сабой сукупнасць якія адлюстроўваюць элементаў, якія фармуюць стаялую светлавую хвалю.
У дадзеным даследаванні найважную ролю гуляюць яшчэ больш незвычайныя квазічасціцы - эксітон-палярытоны, якія фармуюцца дзякуючы моцнай сувязі эксітонаў і фатонаў, злоўленых у аптычны рэзанатар.
Аднак гэтага мала, бо неабходна матэрыяльная аснова, так бы мовіць. І хто як не дыхалькагенід пераходных металаў (ДПМ) лепш за іншых згуляе гэтую ролю. Калі дакладней, то ў якасці выпраменьвальнага матэрыялу быў скарыстаны монослой WS2 (дисульфида вальфраму), які валодае вялікімі энергіямі сувязі эксітонаў, што і стала адным з асноўных крытэраў для выбару матэрыяльнай асновы.
Сукупнасць усіх вышэйапісаных элементаў дазволіла стварыць па-электрычнаму кіраваны палярытонны святлодыёд, які працуе пры пакаёвай тэмпературы.
Для рэалізацыі гэтай прылады манапласт WS2 размешчаны паміж тонкімі гексагональнымі тунэльнымі бар'ерамі з нітрыду бора (hBN) з пластамі графена, якія выступаюць у якасці электродаў.
вынікі даследавання
WS2, быўшы дихалькогенидом пераходных металаў, таксама з'яўляецца атамарна тонкім Ван-дэр-Ваальсавым (vdW) матэрыялам. Гэта сведчыць аб яго ўнікальных электрычных, аптычных, механічных і тэрмічных уласцівасцях.
У спалучэнні з іншымі vdW матэрыяламі, такімі як графен (як правадыр) і гексагональный нітрыд бора (hBN, як ізалятар), можна рэалізаваць цэлае мноства па-электрычнаму кіраваных паўправадніковых прылад, да якіх і ставяцца святлодыёды. Падобныя камбінацыі Ван-дэр-Ваальсавых матэрыялаў і палярытонаў ужо рэалізоўваліся раней, як адкрыта заяўляюць даследнікі. Аднак у папярэдніх працах атрыманыя ў выніку сістэмы былі складаныя і недасканалыя, а таксама не раскрывалі ўвесь патэнцыял кожнага са складнікаў.
Адной з ідэй, натхненнем для якой паслужылі папярэднікі, стала прымяненне двухмернай матэрыяльнай платформы. У такім выпадку можна рэалізаваць прылады з атамарна тонкімі эмісійнымі пластамі, якія могуць быць інтэграваныя з іншымі vdW матэрыяламі, якія выступаюць у ролі кантактаў (графен) і тунэльных бар'ераў (hBN). Акрамя таго, падобная двухмернасць дазваляе аб'яднаць палярытонныя святлодыёды з vdW-матэрыяламі, якія валодаюць незвычайнымі магнітнымі ўласцівасцямі, моцнай звышправоднасцю і/ці нестандартнымі тапалагічнымі пераносамі. У выніку такога аб'яднання можна атрымаць зусім новы тып прылады, уласцівасці якога могуць быць вельмі незвычайныя. Але, як гавораць навукоўцы, гэта тэма для іншага даследавання.
Выява №1
На малюнку 1а паказана трохмерная мадэль прылады, якое нагадвае пластовы пірог. У якасці верхняга люстэрка аптычнага рэзанатара выступае пласт срэбра, а ў якасці ніжняга - 12-слойны размеркаваны брэггаўскі адбівальнік*. У актыўнай вобласці размешчана тунэльная зона.
Размеркаваны брэггаўскі адбівальнік* - структура з некалькіх пластоў, у якой паказчык праламлення матэрыялу перыядычна змяняецца перпендыкулярна пластам.
Тунэльная зона складаецца з vdW гетэраструктуры якая складаецца з монослоя WS2 (выпраменьвальнік святла), тонкіх пластоў hBN па абодва бакі ад монослоя (тунэльны бар'ер) і графена (празрыстыя электроды для ўкаранення электронаў і дзірак).
Было дададзена яшчэ два пласта WS2 для павелічэння агульнай сілы генератара і, такім чынам, для больш выяўленага расшчаплення Рабі палярытонных станаў.
Рэжым працы рэзанатара наладжваецца шляхам змены таўшчыні пласта ПММА (поліметылметакрылат, г.зн. аргшкло).
Малюнак 1b гэта здымак гетэраструктуры vdW на паверхні размеркаванага брэггаўскага адбівальніка. З-за высокай адбівальнай здольнасці размеркаванага брэггаўскага адбівальніка, які з'яўляецца ніжнім пластом, тунэльная зона на здымку мае вельмі нізкі кантраст адлюстравання, у выніку чаго назіраецца толькі верхні тоўсты пласт hBN.
Графік 1с уяўляе сабой зону дыяграму vdW гетэраструктуры ў геаметрыі тунэля пры зрушэнні. Электралюмінесцэнцыя (ЭЛ) назіраецца вышэй парогавай напругі, калі ўзровень фермы верхняга (ніжняга) графена зрушаны вышэй (ніжэй) зоны праводнасці (валентнасці) WS2, дазваляючы электрону (дзірцы) тунэляваць у зону праводнасці (валентнасці) WS2. Гэта стварае спрыяльныя ўмовы для адукацыі эксітонаў у пласце WS2 з наступнай радыяцыйнай (выпраменьвальнай) рэкамбінацыяй электрон-дзірка.
У адрозненне ад святловыпрамяняльнікаў на аснове pn-пераходаў, для працы якіх патрабуецца легаванне, ЭЛ ад тунэльных прылад залежыць выключна ад тунэльнага току, што дазваляе пазбегнуць аптычных страт і любых змен удзельнага супраціву, выкліканых зменай тэмпературы. У той жа час, тунэльная архітэктура дапускае значна большую вобласць выпраменьвання ў параўнанні з дыхалькагеніднымі прыладамі на аснове pn-пераходаў.
Малюнак 1d дэманструе электрычныя характарыстыкі шчыльнасці тунэльнага току (J) як функцыі напружання зрушэння (V) паміж графеновымі электродамі. Рэзкі рост току як для дадатнай, так і для адмоўнай напругі паказвае на ўзнікненне тунэльнага току праз структуру. Пры аптымальнай таўшчыні пластоў hBN (~2 нм) назіраецца значны тунэльны ток і павелічэнне часу жыцця укаранёных носьбітаў для выпраменьвальнай рэкамбінацыі.
Перад правядзеннем электролюминесцентного эксперыменту была праведзена характарызацыя прылады па якая адлюстроўвае здольнасці белага святла з кутнім дазволам для пацверджання наяўнасці моцнай сувязі эксітонаў.
Выява №2
На малюнку 2а паказаны спектры адлюстравання з дазволам па куце ад актыўнай вобласці прылады, якія дэманструюць паводзіны, якія перашкаджаюць скрыжаванню. Таксама назіралася фотолюминесценция (ФЛ) пры нерэзананснай узрушанасці (460 нм), якая дэманструе інтэнсіўнае выпраменьванне з ніжняй галіны палярытону і больш слабое выпраменьванне з верхняй галіны палярытону (2b).
На 2с паказана дысперсія электралюмінесцэнцыі палярытону пры ўкараненні 0.1 мкА / мкм2. Расшчапленне Рабі і засмучэнне рэзанатара, атрыманыя з дапамогай падганяння мод асцылятара (суцэльная і пункцірная белая лінія) да электролюминесцентному эксперыменту, складаюць ～33 мэВ і ～-13 мэВ адпаведна. Расстройка рэзанатара вызначаецца як δ = Ec − Ex, дзе Ex — энергія эксітону, а Ec абазначае энергію фатона рэзанатара з нулявым імпульсам у плоскасці. Графік 2d гэта зрэз пад рознымі кутамі ад электралюмінесцэнтнай дысперсіі. Тут добра бачная дысперсія верхняй і ніжняй палярытонных мод з антыперасячэннем, якія адбываюцца ў зоне эксітоннага рэзанансу.
Выява №3
Па меры павелічэння току тунэлявання агульная інтэнсіўнасць ЭЛ узрастае. Слабая ЭЛ ад палярытонаў назіраецца зблізку парогавага зрушэння (3а), у той час як пры дастаткова вялікім зрушэнні вышэй парога палярытонная эмісія становіцца выразнай (3b).
На малюнку 3с паказаны палярны графік інтэнсіўнасці ЭЛ як функцыі кута, які паказвае вузкі конус эмісіі ± 15 °. Дыяграма выпраменьвання застаецца практычна нязменнай як для мінімальнага (зялёная крывая), так і для максімальнага (аранжавая крывая) току ўзрушанасці. На 3d паказана інтэграваная інтэнсіўнасць пры розных рухомых тунэльных токах, якая, як відаць з графіка, дастаткова лінейная. Такім чынам, павелічэнне току да высокіх значэнняў можа прывесці да паспяховага рассейвання палярытонаў уздоўж ніжняй галіны і стварыць надзвычай вузкую дыяграму выпраменьвання з-за генерацыі палярытонаў. Аднак у дадзеным эксперыменце дасягнуць гэтага не было магчымасці з прычыны абмежавання, звязанага з дыэлектрычным прабоем тунэльнага бар'ера hBN.
Чырвоныя кропкі на 3d паказваюць вымярэння яшчэ аднаго паказчыка - знешняй квантавай эфектыўнасці*.
Квантавая эфектыўнасць * - Стаўленне колькасці фатонаў, паглынанне якіх выклікала адукацыю квазічасціц, да агульнай колькасці паглынутых фатонаў.
Назіраная квантавая эфектыўнасць параўнальная з такой у іншых палярытонавых святлодыёдах (на базе арганічных матэрыялаў, вугляродных трубак і г.д.). Пры гэтым варта адзначыць, што ў доследнай прыладзе таўшчыня святловыпрамяняльнага пласта складае ўсяго толькі 0.7 нм, тады як у іншых прылад гэта значэнне значна вышэй. Навукоўцы не хаваюць, што паказчык квантавай эфектыўнасці іх прылады не самы высокі, але павялічыць яго можна за кошт размяшчэння большага ліку манапластоў ўнутры тунэльнай зоны, падзеленых тонкімі пластамі hBN.
Даследнікі таксама праверылі ўплыў засмучэнні рэзанатара на ЭЛ поляритона, вырабіўшы яшчэ адна прылада, але з мацнейшай засмучэннем (- 43 МЭВ).
Выява №4
На малюнку 4а паказаны спектры ЭЛ з кутнім дазволам такой прылады пры шчыльнасці току 0.2 мка/мкм2. З-за моцнай засмучэнні прылада дэманструе ярка выяўлены эфект бутэлькавага рыльца ў ЭЛ з максімумам эмісіі, якія адбываюцца пад вялікім кутом. Гэта дадаткова пацвярджаецца на малюнку 4b, дзе параўноўваюцца палярныя графікі гэтай прылады з першым (2с).
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у .
Эпілог
Такім чынам, усе вышэйапісаныя назіранні і вымярэнні пацвярджаюць наяўнасць палярытонавай электралюмінесцэнцыі ў vdW гетэраструктуры, убудаванай у аптычны мікрарэзанатар. Тунэльная архітэктура доследнай прылады забяспечвае ўкараненне электронаў / дзірак і рэкамбінацыю ў монослое WS2, які служыць святловыпрамяняльнікам. Важна, што тунэльны механізм прылады не патрабуе легіравання кампанентаў, што зводзіць да мінімуму страты і розныя змены, звязаныя з тэмпературай.
Было ўстаноўлена, што ЭЛ мае высокую накіраванасць дзякуючы дысперсіі рэзанатара. Такім чынам, паляпшэнне дыхтоўнасці рэзанатара і больш высокая падача току дазволяць павысіць эфектыўнасць мікрарэзанатарных святлодыёдаў, а таксама па-электрычнаму кіраваных мікрарэзанатарных палярытонаў і фатонных лазераў.
Дадзеная праца яшчэ раз пацвердзіла, што дихалькогениды пераходных металаў валодаюць сапраўды ўнікальнымі ўласцівасцямі і вельмі шырокім спектрам ужывання.
Падобныя даследаванні і наватарскія вынаходкі могуць моцна паўплываць на развіццё і распаўсюджванне тэхналогій перадачы даных за кошт святлодыёдаў і святла як такога. Да такіх футурыстычным тэхналогіям ставіцца Li-Fi, які можа забяспечыць значна большую хуткасць, чым наяўныя цяпер Wi-Fi.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас аформіўшы замову або парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com