В продължение на много години учени от цял свят се занимават с две основни дейности — изобретяване и усъвършенстване. Понякога е трудно да се определи кое от двете е по-сложно. Например, обикновените светодиоди, които изглеждат толкова прости и обичайни, че дори не им обръщаме внимание. Но ако добавим малко екситони, щипка поляритони и дисулфид на волфрама за вкус, светодиодите вече няма да са толкова прозаични. Всички тези сложни термини са наименования на изключително необичайни компоненти, комбинацията от които е позволила на учените от Градския колеж в Ню Йорк да създадат нова система, способна да предава информация изключително бързо с помощта на светлина. Това откритие ще помогне за усъвършенстването на технологията Li-Fi. Какви конкретно съставки от новата технология са използвани, каква е рецептата на това „ястие“ и каква е ефективността на новия екситон-поляритонен светодиод? За това ще ни разкажат учените. Да започваме.
Основата на изследването
Ако всичко се опрости до една дума, то тази технология е светлина и всичко, свързано с нея. От една страна, поляритони, които възникват при взаимодействието на фотоните с възбуждения на средата (фонони, екситони, плазмони, магнони и т.н.). От друга страна, екситони — електронно възбуждение в диелектрик, полупроводник или метал, мигриращо през кристал и не свързано с преноса на електрически заряд и маса.
Важно е да се отбележи, че тези квазичастици много харесват студа, т.е. активността им може да се наблюдава само при изключително ниски температури, което значително ограничава практическото им приложение. Но това беше в миналото. В тази работа учените успяха да преодолеят температурното ограничение и да ги използват при стайни температури.
Основната характеристика на поляритоните е способността им да свързват фотоните помежду им. Фотоните, които се сблъскват с атомите на рубидия, придобиват маса. При процеса на многократни сблъсъци фотоните се отблъскват един от друг, но в редки случаи формират двойки и тройки, като в същото време губят атомната съставка, представена от атома на рубидия.
Но, за да направим нещо със светлината, трябва да я уловим. За това е необходим оптичен резонатор, който представлява комбинация от отражателни елементи, формиращи стояща светлинна вълна.
В това изследване основна роля играят още по-необичайни квазичастици — екситон-поляритони, които се формират благодарение на силната връзка между екситоните и фотоните, уловени в оптичен резонатор.
Но това е недостатъчно, тъй като е необходима материална основа, така да се каже. И кой, ако не дихалкогенидите на преходните метали (ДПМ), най-добре ще изиграе тази роля. По-точно, като излъчващ материал е използван монослой WS2 (дисулфид на волфрама), който притежава впечатляващи енергии на свързване на екситони, което стана един от основните критерии за избор на материалната основа.
Съчетанието на всички по-горе описани елементи позволи създаването на електрически управляем поляритонен светодиод, работещ при стайна температура.
За реализирането на това устройство монослой WS2 е разположен между тънки хексагонални тунелни бариери от нитрид на бор (hBN), с графенови слоеве, които изпълняват ролята на електроди.
Резултати от изследването
WS2, като дихалкогенид на преходните метали, също е атомно тънък Ван-дер-Ваалсов (vdW) материал. Това подчертава неговите уникални електрически, оптични, механични и термични свойства.
В комбинация с други vdW материали, като графен (като проводник) и хексагонален нитрид на бор (hBN, като изолатор), може да се реализира голям брой електрически управляеми полупроводникови устройства, сред които са светодиодите. Подобни комбинации от Ван-дер-Ваалсови материали и поляритони вече са били реализирани преди, както открито твърдят изследователите. Въпреки това, в предишните изследвания, получените системи бяха сложни и несъвършени, както и не разкриваха пълния потенциал на всяка от съставките.
Една от идеите, вдъхновени от предшествениците, е прилагането на двумерна материална платформа. В този случай могат да се реализират устройства с атомарно тънки емисионни слоеве, които могат да бъдат интегрирани с други vdW материали, изпълняващи ролята на контакти (графен) и тунелни бариери (hBN). Освен това, подобна двумерност позволява комбинирането на поляритонни светодиоди с vdW-материали, притежаващи необичайни магнитни свойства, силна свръхпроводимост и/или нестандартни топологични преноси. В резултат на такава комбинация може да се получи съвсем нов тип устройство, чийто 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 устройство, което наподобява слоен пай. В качеството на горно огледало на оптичния резонатор служи слой сребро, а в качеството на долно — 12-слоен разпределен бреггов отражател*. В активната област е разположена тунелната 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 монослоя (тунелен бариер) и графен (прозрачни електроди за инжектиране на електрони и дупки).
Бяха добавени още два слоя WS2 за увеличение на общата сила на генератора и, следователно, за по-изразено разпадане на Раби поляритонните състояния.
Режимът на работа на резонатора се настройва чрез изменение на дебелината на слоя PMMA (поли(mетилметакрилат), т.е. оргстъкло).
Изображението 1b това е снимка на хетероструктурата vdW на повърхността на разпределен бреггов отражател. Поради високата отражателна способност на разпределения бреггов отражател, който е долен слой, тунелната зона на снимката има много нисък контраст на отражение, в резултат на което се наблюдава само горният дебел слой hBN.
График 1с представлява зона диаграмата vdW на хетероструктури в тунелна геометрия при изместване. Електролюминесценцията (Ел) се наблюдава над праговото напрежение, когато нивото на Ферми на горния (долния) графен е изместено нагоре (надолу) спрямо зоната на проводимост (валентност) WS2, позволявайки на електрона (дупката) да тунелира в зоната на проводимост (валентност) WS2. Това създава благоприятни условия за образуването на екситони в слоя WS2 с последваща радиационна (излъчвателна) рекомбинация електрон-дупка.
В отличие от светодиодите на база p-n преходи, които изискват легиране за работа, електролюминесценцията от тунелови устройства зависи изцяло от тунеловия ток, което позволява избягването на оптични загуби и каквито и да било промени в специфичното съпротивление, предизвикани от промяна на температурата. В същото време тунеловата архитектура допуска много по-голяма област на излъчване в сравнение с дихалкогенидни устройства на база p-n преходи.
Изображението 1d демонстрира електрическите характеристики на плътността на тунеловия ток (J) в зависимост от напрежението на изместване (V) между графеновите електроди. Резкият ръст на тока както при положително, така и при отрицателно напрежение показва възникването на тунелов ток през структурата. При оптимална дебелина на слоевете hBN (~2 нм) се наблюдава значителен тунелов ток и увеличаване на времето за живот на внедрените носители за излъчвателна рекомбинация.
Преди провеждането на електролюминесцентния експеримент беше извършена характеристизация на устройството по отражателната способност на бялата светлина с ъглово разрешение, за да се потвърди наличието на силна връзка на екситоните.
Изображение №2
На изображението 2а са показани отражателни спектри с ъглово разрешение от активната област на устройството, демонстриращи поведение, което пречи на пресичането. Също така беше наблюдавана фотолюминесценция (ФЛ) при не-резонансно возбуждение (460 нм), демонстрираща интензивно излъчване от долната клонка на поляритона и по-слабо излъчване от горната клонка на поляритона (2b).
На 2с показана дисперсия електролюминесценция на поларитона при внедряване на 0.1 мкА/мкм2. Разцепването на Раби и отклонението на резонатора, получени чрез адаптиране на модите на осцилатора (плътна и прекъсната бяла линия) към електролюминесцентния експеримент, са около 33 мЕв и около -13 мЕв съответно. Отклонението 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 електролюминесцентната дисперсия. Тук ясно се вижда дисперсията на горните и долните поларитонни моди с антипресичане, което се случва в зоната на екситонния резонанс.
Изображение №3
С увеличаване на тока на тунелиране общата интензивност на ЕЛ нараства. Слабата ЕЛ от поларитоните се наблюдава в близост до граничното отклонение (3а), докато при достатъчно голямо отклонение над границата поларитонната емисия става ясна (3b).
На изображението 3с показан полярен график на интензивността на ЕЛ като функция на ъгъла, представящ тесен конус на емисия ± 15°. Диаграмата на излъчването остава почти неизменна както за минималния (зелена крива), така и за максималния (оранжева крива) ток на възбуждане. На 3d показана е интегрираната интензивност при различни движещи се тунелни токове, от която става ясно, че е достатъчно линейна. Следователно, увеличавайки тока до високи стойности, може да се постигне успешно разсейване на поларитоните покрай долното клони и да се създаде изключително тясна диаграма на излъчването поради генерацията на поларитони. Въпреки това, в този експеримент не беше възможно да се постигне това поради ограничение, свързано с диелектричния пробив на тунелната бариера hBN.
Червените точки на 3d показват измервания на друг показател — външната квантова ефективност*.
Квантова ефективност* е отношението между броя на фотоните, чието поглъщане е предизвикало образуването на квазичастици, и общия брой на погълнатите фотони.
Наблюдаваната квантова ефективност е сравнима с тази в други поляритонови светодиоди (на база органични материали, въглеродни тръби и т.н.). Важно е да се отбележи, че в изследваното устройство дебелината на светещия слой е само 0.7 nm, докато при другите устройства това значение е значително по-високо. Учените не крият, че показателят за квантова ефективност на тяхното устройство не е най-висок, но може да се увеличи чрез разположение на по-голям брой монослоеве в тунелната зона, разделени с тънки слоеве hBN.
Изследователите също така провериха влиянието на разстройството на резонатора върху ЕЛ поляритона, като изработиха още едно устройство, но с по-силно разстройство (-43 м eВ).
Изображение №4
На изображението 4а показани са спектрите на ЕЛ с ъглово разрешение на такова устройство при плътност на тока 0.2 мкА/мкм2. Поради силното разстройство устройството демонстрира ясно изразен ефект на бутилката в ЕЛ с максимум на емисията, който се проявява под голям ъгъл. Това допълнително се потвърджава на изображението 4b, където се сравняват полярните графики на това устройство с първото (2с).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с .
Епилог
По този начин всички горепосочени наблюдения и измервания потвърдиха наличието на поляритонна електролуминесценция в vdW хетероструктура, вградена в оптически микрорезонатор. Тунелната архитектура на изследваното устройство осигурява внедряване на електрони/дупки и рекомбинация в монослой WS2, който служи за светещ елемент. Важно е, че тунелният механизъм на устройството не изисква легиране на компонентите, което минимизира загубите и различните изменения, свързани с температурата.
Установено е, че ЕЛ има висока насоченост благодарение на дисперсията на резонатора. Следователно, подобряването на качеството на резонатора и по-високото подаване на ток ще повишат ефективността на микрорезонаторните светодиоди, а също така електрически управляемите микрорезонаторни поляритони и фотонни лазери.
Тази работа отново потвърди, че дихалкогенидите на преходните метали притежават наистина уникални свойства и много широк спектър на приложение.
Подобни изследвания и иновационни открития могат значително да повлияят на 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 от наличния в момента Wi-Fi.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и желая на всички успешна работна седмица, приятели! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесват ли ви нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати. 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
