Будущее Li-Fi: поляритоны, экситоны, фотоны и немного дисульфида вольфрама

На протяжении многих лет ученые со всего мира занимаются двумя вещами — изобретают и совершенствуют. И порой неясно, что из этого сложнее. Взять, к примеру, обыкновенные светодиоды, которые кажутся нам столь простыми и обыденными, что мы и не обращаем на них внимание. Но если в них добавить немного экситонов, щепотку поляритонов и дисульфид вольфрама по вкусу, светодиоды уже не будут столь прозаичны. Все эти заумные термины являются названиями крайне необычных компонентов, совокупность которых позволила ученым из Городского колледжа Нью-Йорка создать новую систему, способную крайне быстро передавать информацию с помощью света. Данная разработка поможет усовершенствовать технологию Li-Fi. Какие именно ингредиенты новой технологии были использованы, каков рецепт этого «блюда» и какова эффективность работы нового экситон-поляритонного светодиода? Об этом нам поведает доклад ученых. Поехали.

Основа исследования

Если все упростить до одного слова, то данная технология это свет и все, что с ним связано. Во-первых, поляритоны, которые возникают при взаимодействии фотонов с возбуждениями среды (фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т.д.). Во-вторых, экситоны — электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Важно отметить, что эти квазичастицы очень любят холод, т.е. наблюдать их активность можно лишь при крайне низких температурах, что сильно ограничивает практическое применение. Но это было раньше. В данном труде ученые смогли преодолеть температурное ограничение и использовать их при комнатных температурах.

Основной особенностью поляритонов является возможность связывать фотоны между собой. Фотоны, сталкивающиеся с атомами рубидия, приобретают массу. В процессе многократных столкновений фотоны отскакивают друг от друга, но в редких случаях формируют пары и триплеты, при этом теряя атомную составляющую, представленную атомом рубидия.

Но, чтобы сделать что-то со светом, его нужно поймать. Для этого и нужен оптический резонатор, который представляет собой совокупность отражающих элементов, формирующих стоячую световую волну.

В данном исследовании важнейшую роль играют еще более необычные квазичастицы — экситон-поляритоны, которые формируются благодаря сильной связи экситонов и фотонов, пойманных в оптический резонатор.

Однако этого мало, ибо необходима материальная основа, так сказать. И кто как не дихалькогенид переходных металлов (ДПМ) лучше других сыграет эту роль. Если точнее, то в качестве излучающего материала был использован монослой WS2 (дисульфида вольфрама), который обладает внушительными энергиями связи экситонов, что и стало одним из основных критериев для выбора материальной основы.

Совокупность всех вышеописанных элементов позволила создать электрически управляемый поляритонный светодиод, работающий при комнатной температуре.

Для реализации этого устройства монослой WS2 расположен между тонкими гексагональными туннельными барьерами из нитрида бора (hBN) со слоями графена, выступающими в качестве электродов.

Результаты исследования

WS2, будучи дихалькогенидом переходных металлов, также является атомарно тонким Ван-дер-Ваальсовым (vdW) материалом. Это говорит о его уникальных электрических, оптических, механических и термических свойствах.

В сочетании с другими vdW материалами, такими как графен (как проводник) и гексагональный нитрид бора (hBN, как изолятор), можно реализовать целое множество электрически управляемых полупроводниковых устройств, к которым и относятся светодиоды. Подобные комбинации Ван-дер-Ваальсовых материалов и поляритонов уже реализовывались ранее, как откровенно заявляют исследователи. Однако в предыдущих трудах полученные в результате системы были сложны и несовершенны, а также не раскрывали весь потенциал каждой из составляющих.

Одной из идей, вдохновением для которой послужили предшественники, стало применение двумерной материальной платформы. В таком случае можно реализовать устройства с атомарно тонкими эмиссионными слоями, которые могут быть интегрированы с другими vdW материалами, выступающими в роли контактов (графен) и туннельных барьеров (hBN). Кроме того, подобная двумерность позволяет объединить поляритонные светодиоды с vdW-материалами, обладающими необычными магнитными свойствами, сильной сверхпроводимостью и/или нестандартными топологическими переносами. В результате такого объединения можно получить совершенно новый тип устройства, свойства которого могут быть весьма необычны. Но, как говорят ученые, это тема для другого исследования.

Изображение №1

На изображении 1а показана трехмерная модель устройства, которое напоминает слоеный пирог. В качестве верхнего зеркала оптического резонатора выступает слой серебра, а в качестве нижнего — 12-слойный распределенный брэгговский отражатель*. В активной области расположена туннельная зона.

Распределенный брэгговский отражатель* — структура из нескольких слоев, в которой показатель преломления материала периодически изменяется перпендикулярно слоям.

Туннельная зона состоит из vdW гетероструктуры состоящей из монослоя WS2 (излучатель света), тонких слоев hBN по обе стороны от монослоя (туннельный барьер) и графена (прозрачные электроды для внедрения электронов и дырок).

Было добавлено еще два слоя WS2 для увеличения общей силы генератора и, следовательно, для более выраженного расщепления Раби поляритонных состояний.

Режим работы резонатора настраивается путем изменения толщины слоя ПММА (полиметилметакрилат, т.е. оргстекло).

Изображение 1b это снимок гетероструктуры vdW на поверхности распределенного брэгговского отражателя. Из-за высокой отражательной способности распределенного брэгговского отражателя, являющегося нижним слоем, туннельная зона на снимке имеет очень низкий контраст отражения, в результате чего наблюдается только верхний толстый слой hBN.

График 1с представляет собой зону диаграмму vdW гетероструктуры в геометрии туннеля при смещении. Электролюминесценция (ЭЛ) наблюдается выше порогового напряжения, когда уровень Ферми верхнего (нижнего) графена смещен выше (ниже) зоны проводимости (валентности) WS2, позволяя электрону (дырке) туннелировать в зону проводимости (валентности) WS2. Это создает благоприятные условия для образования экситонов в слое WS2 с последующей радиационной (излучательной) рекомбинацией электрон-дырка.

В отличие от светоизлучателей на основе p-n-переходов, для работы которых требуется легирование, ЭЛ от туннельных устройств зависит исключительно от туннельного тока, что позволяет избежать оптических потерь и любых изменений удельного сопротивления, вызываемых изменением температуры. В то же время, туннельная архитектура допускает гораздо большую область излучения по сравнению с дихалькогенидными устройствами на основе p-n-переходов.

Изображение 1d демонстрирует электрические характеристики плотности туннельного тока (J) как функции напряжения смещения (V) между графеновыми электродами. Резкий рост тока как для положительного, так и для отрицательного напряжения указывает на возникновение туннельного тока через структуру. При оптимальной толщине слоев hBN (~2 нм) наблюдается значительный туннельный ток и увеличение времени жизни внедренных носителей для излучательной рекомбинации.

Перед проведением электролюминесцентного эксперимента была проведена характеризация устройства по отражающей способности белого света с угловым разрешением для подтверждения наличия сильной связи экситонов.

Изображение №2

На изображении 2а показаны спектры отражения с разрешением по углу от активной области устройства, демонстрирующие поведение, препятствующее пересечению. Также наблюдалась фотолюминесценция (ФЛ) при нерезонансном возбуждении (460 нм), демонстрирующая интенсивное излучение из нижней ветви поляритона и более слабое излучение из верхней ветви поляритона (2b).

На 2с показана дисперсия электролюминесценции поляритона при внедрении 0.1 мкА/мкм2. Расщепление Раби и расстройка резонатора, полученные с помощью подгонки мод осциллятора (сплошная и пунктирная белая линия) к электролюминесцентному эксперименту, составляют ～33 мэВ и ～-13 мэВ соответственно. Расстройка резонатора определяется как δ = Ec − Ex, где Ex — энергия экситона, а Ec обозначает энергию фотона резонатора с нулевым импульсом в плоскости. График 2d это срез под разными углами от электролюминесцентной дисперсии. Здесь хорошо видна дисперсия верхней и нижней поляритонных мод с антипересечением, происходящим в зоне экситонного резонанса.

Изображение №3

По мере увеличения тока туннелирования общая интенсивность ЭЛ возрастает. Слабая ЭЛ от поляритонов наблюдается вблизи порогового смещения (3а), в то время как при достаточно большом смещении выше порога поляритонная эмиссия становится отчетливой (3b).

На изображении 3с показан полярный график интенсивности ЭЛ как функции угла, изображающий узкий конус эмиссии ± 15°. Диаграмма излучения остается практически неизменной как для минимального (зеленая кривая), так и для максимального (оранжевая кривая) тока возбуждения. На 3d показана интегрированная интенсивность при различных движущихся туннельных токах, которая, как видно с графика, достаточно линейна. Следовательно, увеличение тока до высоких значений может привести к успешному рассеянию поляритонов вдоль нижней ветви и создать чрезвычайно узкую диаграмму излучения из-за генерации поляритонов. Однако в данном эксперименте достичь этого не было возможности ввиду ограничения, связанного с диэлектрическим пробоем туннельного барьера hBN.

Красные точки на 3d показывают измерения еще одного показателя — внешней квантовой эффективности*.

Квантовая эффективность* — отношение числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов.

Наблюдаемая квантовая эффективность сравнима с таковой в других поляритоновых светодиодах (на базе органических материалов, углеродных трубок и т.д.). При этом стоит отметить, что в исследуемом устройстве толщина светоизлучающего слоя составляет всего лишь 0.7 нм, тогда как у других устройств это значение гораздо выше. Ученые не скрывают, что показатель квантовой эффективности их устройства не самый высокий, но увеличить его можно за счет размещения большего числа монослоев внутри туннельной зоны, разделенных тонкими слоями hBN.

Исследователи также проверили влияние расстройки резонатора на ЭЛ поляритона, изготовив еще одно устройство, но с более сильной расстройкой (- 43 мэВ).

Изображение №4

На изображении 4а показаны спектры ЭЛ с угловым разрешением такого устройства при плотности тока 0.2 мкА/мкм2. Из-за сильной расстройки устройство демонстрирует ярко выраженный эффект бутылочного горлышка в ЭЛ с максимумом эмиссии, происходящим под большим углом. Это дополнительно подтверждается на изображении 4b, где сравниваются полярные графики этого устройства с первым (2с).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Таким образом, все вышеописанные наблюдения и измерения подтверждают наличие поляритоновой электролюминесценции в vdW гетероструктуре, встроенной в оптический микрорезонатор. Туннельная архитектура исследуемого устройства обеспечивает внедрение электронов/дырок и рекомбинацию в монослое WS2, который служит светоизлучателем. Важно, что туннельный механизм устройства не требует легирования компонентов, что сводит к минимуму потери и различные изменения, связанные с температурой.

Было установлено, что ЭЛ имеет высокую направленность благодаря дисперсии резонатора. Следовательно, улучшение добротности резонатора и более высокая подача тока позволят повысить эффективность микрорезонаторных светодиодов, а также электрически управляемых микрорезонаторных поляритонов и фотонных лазеров.

Данный труд еще раз подтвердил, что дихалькогениды переходных металлов обладают действительно уникальными свойствами и весьма широким спектром применения.

Подобные исследования и новаторские изобретения могут сильно повлиять на развитие и распространение технологий передачи данных за счет светодиодов и света как такового. К таким футуристическим технологиям относится Li-Fi, который может обеспечить значительно большую скорость, чем имеющиеся ныне Wi-Fi.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Источник: habr.com