През последните години учени от цял свят се занимават с две неща — създават и усъвършенстват. Понякога е трудно да се разбере кое от двете е по-трудно. Вземете например обикновените светодиоди, които ни се струват толкова прости и обичайни, че дори не им объркваме внимание. Но ако добавите малко екситони, щипка поляритони и дисулфид на вольфрам на вкус, светодиодите няма да са толкова прозаични. Всички тези сложни термини са имена на изключително необичайни компоненти, чиято комбинация е позволила на учени от Градския колеж на Ню Йорк да създадат нова система, способна изключително бързо да предава информация чрез светлина. Това развитие ще помогне за усъвършенстването на технологията Li-Fi. Какви точно съставки на новата технология са използвани, каква е рецептата за това „ястие“ и каква е ефективността на новия екситон-поляритонен светодиод? За това ще ни разкаже доклад на учените. Да започнем.
Основи на изследването
Ако всичко бъде опростено до една дума, то тази технология е светлина и всичко, свързано с нея. На първо място, поляритони, които възникват при взаимодействие на фотони с възбуждението на средата (фонони, екситони, плазмони, магнани и т.н.). На второ място, екситони — електронно възбуждение в диелектрик, полупроводник или метал, мигриращо по кристала и не свързано с преноса на електрически заряд и маса.
Важно е да се подчертае, че тези квазичастици много обичат студено, т.е. активността им може да се наблюдава само при изключително ниски температури, което силно ограничава практическото им приложение. Но това беше преди. В този труд учените успяха да преодолеят температурното ограничение и да ги използват при стайни температури.
Основната особеност на поляритоните е способността им да свързват фотони помежду си. Фотоните, които се сблъскват с атоми на рубидий, придобиват маса. В процеса на многократни сблъсъци, фотоните се отблъскват един от друг, но в редки случаи образуват двойки и триплети, като в същото време губят атомната си част, представена от атома на рубидий.
Но, за да направите нещо със светлината, трябва да я уловите. Затова е необходим оптичен резонатор, който представлява съвкупност от отражателни елементи, формиращи стояща светлинна вълна.
В това проучване важна роля играят дори още по-необичайни квазичастици - екситон-поляритони, които се формират благодарение на силната връзка между екситоните и фотоните, уловени в оптичен резонатор.
Но това не е достатъчно, тъй като е необходима материална основа, така да се каже. И кой, ако не дихалкогенидите на преходните метали (ДПМ), би могъл да играе тази роля най-добре. По-точно, като излъчващ материал е използван монослой WS2 (дисулфид на волфрама), който притежава значителни енергии на свързване на екситоните, което стана едно от основните критерии за избор на материална основа.
Сборът от всички по-гореописани елементи позволи да се създаде електрически управляем поляритонен светодиод, работещ при стайна температура.
За реализиране на това устройство, монослоят WS2 е разположен между тънки хексагонални тунелни бариери от борен нитрид (hBN), където слоевете графен служат като електроди.
Резултати от изследването
WS2, будейки се дихалкогенид на преходни метали, също е атомарно тънък Ван-дер-Ваалсов (vdW) материал. Това подсказва за неговите уникални електрически, оптични, механични и термични свойства.
В комбинация с други vdW материали, като графен (като проводник) и хексагонален борен нитрид (hBN, като изолатор), могат да се реализират множество електрически управляеми полупроводникови устройства, сред които и светодиодите. Подобни комбинации от Ван-дер-Ваалсови материали и поляритони вече са били реализирани по-рано, както открито потвърдиха изследователите. Въпреки това, в предишните трудове получените системи бяха сложни и несъвършени, както и не разкриваха целия потенциал на всяка от съставките.
Една от идеите, вдъхновени от предшествениците, е приложението на двумерна материална платформа. В такъв случай могат да се реализират устройства с атомарно тънки емисионни слоеве, които могат да бъдат интегрирани с други vdW материали, функциониращи като контакти (графен) и тунелни бариери (hBN). Освен това, такава двумерност позволява комбинирането на поларитонни светодиоди с vdW материали с необичайни магнитни свойства, силна свръхпроводимост и/или нестандартни топологични преноси. В резултат на това обединение може да се получи съвсем нов тип устройство, чиито свойства могат да бъдат доста необичайни. Но, както казват учените, това е тема за друго изследване.
Изображение №1
На изображението 1а показана е тримерна модел на устройството, което наподобява слоен пай. Като горно огледало на оптикалния резонатор служи слой сребро, а като долно — 12-слоен разпределен бреггов отражател*. В активната област е разположена тунелна зона.
Разпределен бреггов отражател* — структура от няколко слоя, в която показателят на пречупване на материала периодично се променя перпендикулярно на слоевете.
Тунелната зона се състои от vdW хетероструктура, състояща се от монослой WS2 (излъчвател на светлина), тънки слоеве hBN от двете страни на моно слоя (тунелна бариера) и графен (прозрачни електроди за инжектиране на електрони и дупки).
Бяха добавени още два слоя WS2 за увеличаване на общата мощност на генератора и, следователно, за по-изразено разцепване на Раби поларитонните състояния.
Режимът на работа на резонатора се настройва, като се променя дебелината на слоя ПММА (полиметилметакрилат, т.е. оргстъкло).
Изображението 1b това е снимка на vdW хетероструктура на повърхността на разпределен бреггов отражател. Заради високата отражателна способност на разпределения бреггов отражател, който е долният слой, тунелната зона на снимката има много нисък контраст на отразяване, поради което се наблюдава само горният дебел слой hBN.
Графикът 1с представлява зонова диаграма vdW хетероструктура в тунелна геометрия при изместване. Електролуминесценцията (ЕЛ) се наблюдава над праговото напрежение, когато нивото на Ферми на горния (долния) графен е изместено над (под) зоната на проводимост (валентност) WS2, позволявайки на електрон (дупка) да тунелира в зоната на проводимост (валентност) WS2. Това създава благоприятни условия за образуването на екситони в слоя WS2 с последваща радиационна (излъчваща) рекомбинация на електрон-дупка.
В противоположност на светлоизлъчващите устройства на основата на p-n-преминавания, за работата на които е необходимо легиране, ЕЛ от тунелни устройства зависи единствено от тунелния ток, което позволява да се избегнат оптичните загуби и всякакви промени в специфичното съпротивление, предизвикани от изменения в температурата. В същото време тунелната архитектура допуска много по-голяма област на излъчване в сравнение с дихалкогенидните устройства на основата на p-n-преминавания.
Изображението 1d демонстрира електрическите характеристики на плътността на тунелния ток (J) в зависимост от напрежението на изместване (V) между графеновите електроди. Рязкото увеличение на тока както за положителното, така и за отрицателното напрежение показва възникването на тунелен ток през структурата. При оптимална дебелина на слоевете hBN (~2 нм) се наблюдава значителен тунелен ток и увеличаване на живота на интегрираните носители за излъчваща рекомбинация.
Преди провеждането на електролуминесцентния експеримент беше проведена характеризация на устройството по отражателна способност на бялата светлина с ъглово разрешение за потвърждаване на наличието на силна свързаност на екситоните.
Изображение №2
На изображението 2а показани са спектри на отражение с ъглово разрешение от активната област на устройството, демонстрирайки поведение, предотвратяващо пресичане. Освен това беше наблюдавана фотолюминесценция (ФЛ) при нерезонансно възбуждане (460 нм), демонстрираща интензивно излъчване от долната ветка на поляритона и по-слабо излъчване от горната ветка на поляритона (2b).
На 2c показва дисперсията на електролуминесценцията на поларитона при внедряване 0.1 мкА/мкм2. Разделянето на Раби и разстройването на резонатора, получени чрез настройка на модовете на осцилатора (плътна и пунктирна бяла линия) към електролуминесцентния експеримент, са около 33 меВ и около -13 меВ съответно. Разстройството на резонатора се определя като δ = Ec − Ex, където Ex е енергията на екситона, а Ec обозначава енергията на фотона на резонатора с нулев импулс в равнината. График 2d това е срез под различни ъгли от електролуминесцентната дисперсия. Тук ясно се вижда дисперсията на горните и долните поларитонни модове с антипресичане, което се случва в зоната на екситонния резонанс.
Изображение №3
С увеличаването на тунелния ток общата интензивност на ЕЛ нараства. Слаба ЕЛ от поларитоните се наблюдава в близост до граничното изместване (3а), докато при достатъчно голямо изместване над прага поларитонната емисия става ясна (3b).
На изображението 3c показан е полярен график на интензивността на ЕЛ в зависимост от ъгъла, изобразяващ тесен конус на емисия ± 15°. Диаграмата на излъчване остава практически непроменена както за минимален (зелена крива), така и за максимален (оранжева крива) ток на възбуждане. На 3d показана е интегрираната интензивност при различни движещи се тунелни токове, която, както се вижда от графика, е доста линейна. Следователно, увеличаването на тока до високи стойности може да доведе до успешно разсейване на поларитоните по долната клонка и да създаде изключително тясна диаграма на излъчване поради генерирането на поларитони. Въпреки това, в този експеримент не беше възможно да се стигне до това поради ограничаването, свързано с диелектричния пробив на тунелната бариера hBN.
Червените точки на 3d показват измервания на още един показател — външната квантова ефективност*.
Квантова ефективност* е отношението на броя фотони, чието поглъщане е довело до образуването на квази-частици, спрямо общия брой погълнати фотони.
Наблюдавана квантова ефективност е сравнима с тази в другите поляритонови светодиоди (основаващи се на органични материали, въглеродни тръби и т.н.). Важно е да се отбележи, че в изследваното устройство дебелината на светлоизлъчващия слой е само 0.7 нм, докато при другите устройства тази стойност е значително по-висока. Учените не крият, че показателят за квантова ефективност на тяхното устройство не е най-висок, но може да се увеличи чрез разполагане на повече монослоеве в тунелната зона, разделени с тънки слоеве hBN.
Изследователите също така провериха влиянието на нарушението на резонатора върху електролюминесценцията на поляритона, изработвайки още едно устройство, но с по-силно нарушение (- 43 мэВ).
Изображение №4
На изображението 4а Показани са спектрите на електролюминесценция с ъглово разрешение на такова устройство при плътност на тока 0.2 μA/μm². Поради силното нарушение, устройството показва ясно изразен ефект на бутилчено гърло в електролюминесценцията с максимум на емисията, която се случва под голям ъгъл. Това допълнително се потвърждава на изображението 4b, където се сравняват полярните графики на това устройство с първото (2c).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с .
Епилог
Така че, всички по-гореописани наблюдения и измервания потвърждават наличието на поляритонова електролюминесценция в vdW хетероструктура, вградена в оптичен микрорезонатор. Тунелната архитектура на изследваното устройство осигурява внедряване на електрони/дупки и рекомбинация в монослой WS2, който служи като светлоизлъчвател. Важно е, че тунелният механизъм на устройството не изисква легиране на компонентите, което минимизира загубите и различията, свързани с температурата.
Установено е, че електролюминесценцията има висока насоченост благодарение на дисперсията на резонатора. Следователно, подобряване на добротността на резонатора и по-висока подача на ток ще повишат ефективността на микрорезонаторните светодиоди, както и електрически управляемите микрорезонаторни поляритони и фотонни лазери.
Тази работа още веднъж потвърди, че дихалкогенидите на преходните метали наистина притежават уникални свойства и много широк спектър от приложения.
Подобни изследвания и иновации могат да окажат значително влияние върху развитието и разпространението на технологии за предаване на данни чрез светодиоди и самата светлина. Към тези футуристични технологии принадлежи Li-Fi, който може да осигури значително по-висока скорост в сравнение с настоящия Wi-Fi.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятна работна седмица на всички, приятели! 🙂
Благодарим, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
