Бъдещето на Li-Fi: поляритони, екситони, фотони и малко волфрамов дисулфид

В продължение на много години учени от цял ​​свят правят две неща - изобретяват и подобряват. И понякога не е ясно кое е по-трудно. Вземете например обикновените светодиоди, които ни изглеждат толкова прости и обикновени, че дори не им обръщаме внимание. Но ако добавите няколко екситона, щипка поляритони и волфрамов дисулфид на вкус, светодиодите вече няма да са толкова прозаични. Всички тези неясни термини са имената на изключително необичайни компоненти, чиято комбинация позволи на учени от Сити Колидж в Ню Йорк да създадат нова система, способна да предава информация изключително бързо, използвайки светлина. Това развитие ще помогне за подобряване на Li-Fi технологията. Какви точно съставки на новата технология са използвани, каква е рецептата за това „ястие“ и каква е ефективността на работа на новия екситон-поляритонен светодиод? Докладът на учените ще ни разкаже за това. Отивам.

Изследователска база

Ако опростим всичко с една дума, то тази технология е лека и всичко свързано с нея. Първо, поляритони, които възникват, когато фотоните взаимодействат с възбужданията на средата (фонони, екситони, плазмони, магнони и др.). Второ, екситоните са електронни възбуждания в диелектрик, полупроводник или метал, които мигрират през целия кристал и не са свързани с преноса на електрически заряд и маса.

Важно е да се отбележи, че тези квазичастици много обичат студа, т.е. Тяхната активност може да се наблюдава само при изключително ниски температури, което силно ограничава практическото им приложение. Но това беше преди. В тази работа учените успяха да преодолеят температурното ограничение и да ги използват при стайна температура.

Основната характеристика на поляритоните е способността да свързват фотони един с друг. Фотоните, които се сблъскват с рубидиеви атоми, придобиват маса. В процеса на повтарящи се сблъсъци фотоните се отскачат един от друг, но в редки случаи образуват двойки и тройки, като същевременно губят атомния компонент, представен от атома на рубидия.

Но за да направиш нещо със светлина, трябва да я хванеш. За това е необходим оптичен резонатор, който е набор от отразяващи елементи, които образуват стояща светлинна вълна.

В това изследване най-важната роля играят още по-необичайни квазичастици - екситон-поляритони, които се образуват поради силното свързване на екситони и фотони, уловени в оптична кухина.

Това обаче не е достатъчно, защото е нужна материална база, така да се каже. И кой по-добре от дихалкогенида на преходния метал (TMD) ще играе тази роля? По-точно, като излъчващ материал е използван монослой WS2 (волфрамов дисулфид), който има впечатляващи енергии на свързване на екситон, което се превърна в един от основните критерии за избор на материална база.

Комбинацията от всички елементи, описани по-горе, направи възможно създаването на електрически управляван поляритонен светодиод, работещ при стайна температура.

За да се реализира това устройство, монослой от WS2 е поставен между тънки шестоъгълни тунелни бариери от борен нитрид (hBN) с графенови слоеве, действащи като електроди.

Резултати от проучването

WS2, като дихалкогенид на преходен метал, също е атомно тънък ван дер Ваалсов (vdW) материал. Това говори за неговите уникални електрически, оптични, механични и топлинни свойства.

В комбинация с други vdW материали, като графен (като проводник) и хексагонален борен нитрид (hBN, като изолатор), могат да бъдат реализирани цял набор от електрически контролирани полупроводникови устройства, които включват светодиоди. Подобни комбинации от ван дер Ваалсови материали и поляритони вече са били реализирани и преди, както открито заявяват изследователите. В предишни работи обаче получените системи бяха сложни и несъвършени и не разкриваха пълния потенциал на всеки компонент.

Една от идеите, вдъхновени от предшествениците, беше използването на двуизмерна материална платформа. В този случай е възможно да се реализират устройства с атомно тънки емисионни слоеве, които могат да бъдат интегрирани с други vdW материали, действащи като контакти (графен) и тунелни бариери (hBN). В допълнение, такава двуизмерност прави възможно комбинирането на поляритонни светодиоди с vdW материали, които имат необичайни магнитни свойства, силна свръхпроводимост и/или нестандартни топологични трансфери. В резултат на такава комбинация може да се получи напълно нов тип устройство, чиито свойства могат да бъдат доста необичайни. Но, както казват учените, това е тема за друго изследване.

Изображение #1

На изображението 1a показва триизмерен модел на устройство, което наподобява слоеста торта. Горното огледало на оптичния резонатор е слой от сребро, а долното огледало е 12-слоен разпределен Браг рефлектор*. Активният регион съдържа тунелна зона.

Разпределен Bragg рефлектор* - структура от няколко слоя, в която индексът на пречупване на материала периодично се променя перпендикулярно на слоевете.

Тунелната зона се състои от vdW хетероструктура, състояща се от WS2 монослой (излъчвател на светлина), тънки слоеве hBN от двете страни на монослоя (тунелна бариера) и графен (прозрачни електроди за въвеждане на електрони и дупки).

Бяха добавени още два слоя WS2, за да се увеличи общата сила на осцилатора и следователно да се получи по-изразено разделяне на Rabi на поляритоновите състояния.

Режимът на работа на резонатора се регулира чрез промяна на дебелината на слоя PMMA (полиметилметакрилат, т.е. плексиглас).

Изображение 1b Това е моментна снимка на vdW хетероструктура на повърхността на разпределен Bragg рефлектор. Поради високата отразяваща способност на разпределения Bragg рефлектор, който е долният слой, тунелната зона в изображението има много нисък контраст на отразяване, което води до наблюдаване само на горния дебел hBN слой.

Планирам 1s е vdW зоновата диаграма на хетероструктурата в геометрията на тунела при изместване. Електролуминесценция (EL) се наблюдава над праговото напрежение, когато нивото на Ферми на горния (долния) графен е изместен над (под) лентата на проводимост (валентност) на WS2, позволявайки на електрон (дупка) да тунелира в проводимостта (валентност) лента на WS2. Това създава благоприятни условия за образуване на екситони в слоя WS2 с последваща радиационна (радиационна) електрон-дупкова рекомбинация.

За разлика от светлинните излъчватели на pn преход, които изискват допинг, за да работят, EL от тунелни устройства зависи единствено от тунелния ток, като се избягват оптични загуби и всякакви промени в съпротивлението, причинени от температурни промени. В същото време, тунелната архитектура позволява много по-голяма емисионна област в сравнение с дихалкогенидните устройства, базирани на pn преходи.

Изображение 1d демонстрира електрическите характеристики на плътността на тунелния ток (J) като функция на напрежението на отклонение (V) между графеновите електроди. Рязкото увеличение на тока както за положителни, така и за отрицателни напрежения показва появата на тунелен ток през структурата. При оптималната дебелина на слоевете hBN (~ 2 nm) се наблюдава значителен тунелен ток и увеличаване на живота на вградените носители за радиационна рекомбинация.

Преди провеждането на експеримента с електролуминесценция, устройството се характеризира с отражение на бялата светлина с ъглова резолюция, за да потвърди наличието на силно екситонно свързване.

Изображение #2

На изображението 2a Показани са спектри на отражение с ъглова разделителна способност от активната област на устройството, което демонстрира поведение срещу пресичане. Фотолуминесценция (PL) също се наблюдава при нерезонансно възбуждане (460 nm), показвайки интензивно излъчване от долния поляритонен клон и по-слабо излъчване от горния поляритонен клон (2b).

На 2s показва дисперсията на електролуминесценцията на поляритон при скорост на инжектиране от 0.1 μA/μm2. Разделянето на Раби и разстройката на кухината, получени чрез монтиране на режимите на осцилатора (плътна и прекъсната бяла линия) към EL експеримента, са съответно ～33 meV и ～-13 meV. Разстройването на кухината се дефинира като δ = Ec − Ex, където Ex е енергията на екситона, а Ec обозначава фотонната енергия на кухината с нулев импулс в равнината. График 2d Това е разрез под различни ъгли от електролуминесцентната дисперсия. Тук ясно се вижда дисперсията на горния и долния поляритонен режим с антикросинга, възникваща в зоната на екситонния резонанс.

Изображение #3

Тъй като тунелният ток се увеличава, общият интензитет на EL се увеличава. Слаба EL от поляритони се наблюдава близо до изместването на прага (3a), докато при достатъчно голямо изместване над прага излъчването на поляритон става ясно (3b).

На изображението 3s показва полярен график на интензитета на EL като функция от ъгъла, изобразяващ тесен емисионен конус от ±15°. Диаграмата на излъчване остава практически непроменена както за минималния (зелена крива), така и за максималния (оранжева крива) ток на възбуждане. На 3d показва интегрирания интензитет за различни движещи се тунелни течения, който, както може да се види от графиката, е доста линеен. Следователно увеличаването на тока до високи стойности може да доведе до успешно разпръскване на поляритони по долния клон и да създаде изключително тесен модел на излъчване поради генерирането на поляритони. В този експеримент обаче не беше възможно да се постигне това поради ограничението, свързано с диелектричния пробив на hBN тунелната бариера.

Червени точки върху 3d показват измервания на друг показател - външен квантова ефективност*.

Квантова ефективност* — отношението на броя на фотоните, чието поглъщане е причинило образуването на квазичастици, към общия брой на погълнатите фотони.

Наблюдаваната квантова ефективност е сравнима с тази в други поляритонни светодиоди (базирани на органични материали, въглеродни тръби и др.). Заслужава да се отбележи, че в изследваното устройство дебелината на светлоизлъчващия слой е само 0.7 nm, докато в други устройства тази стойност е много по-висока. Учените не крият факта, че квантовата ефективност на тяхното устройство не е най-висока, но може да бъде увеличена чрез поставяне на по-голям брой монослоеве вътре в тунелната зона, разделени от тънки слоеве hBN.

Изследователите също така тестваха ефекта от разстройването на резонатора върху поляритон EL, като направиха друго устройство, но с по-силно разстройване (-43 meV).

Изображение #4

На изображението 4a Показани са EL спектри с ъглова разделителна способност на такова устройство при плътност на тока от 0.2 μA/μm2. Поради силното разстройване, устройството показва ясно изразен ефект на тясното място в EL, като максимумът на емисиите възниква под голям ъгъл. Това е допълнително потвърдено в изображението 4b, където полярните графики на това устройство са сравнени с първото (2s).

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате съобщават учените.

Епилог

По този начин всички наблюдения и измервания, описани по-горе, потвърждават наличието на поляритонна електролуминесценция в vdW хетероструктура, вградена в оптична микрокухина. Тунелната архитектура на изследваното устройство осигурява въвеждането на електрони/дупки и рекомбинация в монослоя WS2, който служи като излъчвател на светлина. Важно е, че тунелният механизъм на устройството не изисква легиране на компоненти, което минимизира загубите и различни температурни промени.

Установено е, че EL има висока насоченост поради дисперсията на резонатора. Следователно подобряването на фактора на качеството на кухината и по-високото доставяне на ток ще подобри ефективността на светодиодите с микрокухина, както и електрически контролираните поляритони с микрокухина и фотонните лазери.

Тази работа още веднъж потвърди, че дихалкогенидите на преходните метали имат наистина уникални свойства и много широк спектър от приложения.

Такива изследвания и иновативни изобретения могат значително да повлияят на развитието и разпространението на технологии за предаване на данни, използващи светодиоди и самата светлина. Такива футуристични технологии включват Li-Fi, който може да осигури значително по-високи скорости от наличния в момента Wi-Fi.

Благодаря ви за вниманието, бъдете любопитни и желая страхотна седмица на всички! 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да споделите сървър? (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV от $199 в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за Как да изградим инфраструктура Corp. клас с използване на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за стотинка?

Източник: www.habr.com