Dugi niz godina naučnici iz cijelog svijeta rade dvije stvari – izmišljaju i poboljšavaju. A ponekad nije jasno šta je teže. Uzmimo, na primjer, obične LED diode, koje nam se čine toliko jednostavnim i običnim da na njih i ne obraćamo pažnju. Ali ako dodate nekoliko eksitona, prstohvat polaritona i volfram disulfida po ukusu, LED diode više neće biti tako prozaične. Svi ovi nejasni termini su nazivi krajnje neobičnih komponenti, čija je kombinacija omogućila naučnicima sa City Collegea u New Yorku da stvore novi sistem sposoban da prenosi informacije izuzetno brzo koristeći svjetlost. Ovaj razvoj će pomoći poboljšanju Li-Fi tehnologije. Koji su tačno sastojci nove tehnologije korišćeni, koji je recept za ovo „jelo“ i kolika je radna efikasnost nove eksciton-polariton LED? O tome će nam reći izvještaj naučnika. Idi.
Osnova istraživanja
Ako sve pojednostavimo na jednu riječ, onda je ova tehnologija lagana i sve što je s njom povezano. Prvo, polaritoni, koji nastaju kada fotoni stupe u interakciju s pobuđanjima medija (fononi, ekscitoni, plazmoni, magnoni, itd.). Drugo, eksitoni su elektronske pobude u dielektriku, poluvodiču ili metalu koje migriraju kroz kristal i nisu povezane s prijenosom električnog naboja i mase.
Važno je napomenuti da ove kvazičestice veoma vole hladnoću, tj. Njihova aktivnost se može uočiti samo na ekstremno niskim temperaturama, što uvelike ograničava njihovu praktičnu primjenu. Ali to je bilo prije. U ovom radu, naučnici su uspeli da prevaziđu temperaturna ograničenja i koriste ih na sobnoj temperaturi.
Glavna karakteristika polaritona je sposobnost da međusobno vežu fotone. Fotoni koji se sudaraju sa atomima rubidijuma dobijaju masu. U procesu ponovljenih sudara, fotoni se odbijaju jedni od drugih, ali u rijetkim slučajevima formiraju parove i trojke, pri čemu gube atomsku komponentu koju predstavlja atom rubidijuma.
Ali da biste nešto uradili sa svetlošću, morate je uhvatiti. Za to je potreban optički rezonator, koji je skup reflektirajućih elemenata koji formiraju stajaći svjetlosni val.
U ovoj studiji najvažniju ulogu imaju još neobičnije kvazičestice - eksciton-polaritoni, koji nastaju zbog jakog sprega eksitona i fotona zarobljenih u optičkoj šupljini.
Međutim, to nije dovoljno, jer je potrebna, da tako kažem, materijalna osnova. A ko će bolje od dihalkogenida prelaznih metala (TMD) igrati ovu ulogu? Tačnije, kao emitujući materijal korišćen je monosloj WS2 (volfram disulfid), koji ima impresivne energije vezivanja eksitona, što je postalo jedan od glavnih kriterijuma za izbor materijalne baze.
Kombinacija svih gore opisanih elemenata omogućila je stvaranje električno kontrolirane polaritonske LED diode koja radi na sobnoj temperaturi.
Za realizaciju ovog uređaja, monosloj WS2 je u sendviču između tankih heksagonalnih bor nitrida (hBN) tunelskih barijera sa slojevima grafena koji djeluju kao elektrode.
Rezultati studije
WS2, kao dihalkogenid prijelaznog metala, također je atomski tanak Van der Waalsov (vdW) materijal. To govori o njegovim jedinstvenim električnim, optičkim, mehaničkim i termičkim svojstvima.
U kombinaciji sa drugim vdW materijalima, kao što su grafen (kao provodnik) i heksagonalni bor nitrid (hBN, kao izolator), može se realizovati čitav niz električno kontrolisanih poluvodičkih uređaja, koji uključuju LED diode. Slične kombinacije van der Waalsovih materijala i polaritona već su realizovane ranije, kako istraživači otvoreno navode. Međutim, u prethodnim radovima, rezultirajući sistemi su bili složeni i nesavršeni, te nisu otkrili puni potencijal svake komponente.
Jedna od ideja koja je inspirisana prethodnicima bila je upotreba dvodimenzionalne materijalne platforme. U ovom slučaju moguća je realizacija uređaja sa atomski tankim emisionim slojevima, koji se mogu integrirati sa drugim vdW materijalima koji djeluju kao kontakti (grafen) i tunelske barijere (hBN). Pored toga, takva dvodimenzionalnost omogućava kombinovanje polaritonskih LED dioda sa vdW materijalima koji imaju neobična magnetna svojstva, jaku supravodljivost i/ili nestandardne topološke transfere. Kao rezultat takve kombinacije može se dobiti potpuno nova vrsta uređaja, čija svojstva mogu biti prilično neobična. Ali, kako kažu naučnici, ovo je tema za drugu studiju.
Slika #1
Na slici 1a prikazuje trodimenzionalni model uređaja koji podsjeća na slojevit kolač. Gornje ogledalo optičkog rezonatora je sloj srebra, a donje ogledalo je 12-slojno raspoređeno. Bragg reflektor*. Aktivna regija sadrži zonu tunela.
Distribuirani Bragg reflektor* - struktura od nekoliko slojeva u kojoj se indeks loma materijala periodično mijenja okomito na slojeve.
Tunelska zona se sastoji od vdW heterostrukture koja se sastoji od WS2 monosloja (emiter svjetla), tankih slojeva hBN sa obje strane monosloja (tunelska barijera) i grafena (prozirne elektrode za uvođenje elektrona i rupa).
Dodata su još dva sloja WS2 kako bi se povećala ukupna snaga oscilatora i time proizvela izraženije Rabi cijepanje polarnih stanja.
Način rada rezonatora se podešava promjenom debljine PMMA sloja (polimetil metakrilat, tj. pleksiglas).
Image Image 1b Ovo je snimak vdW heterostrukture na površini distribuiranog Braggovog reflektora. Zbog visoke refleksivnosti distribuiranog Braggovog reflektora, koji je donji sloj, zona tunela na slici ima vrlo nizak kontrast refleksije, što rezultira samo gornjim debelim hBN slojem.
Graf 1c predstavlja vdW zonski dijagram heterostrukture u geometriji tunela pod pomakom. Elektroluminiscencija (EL) se opaža iznad graničnog napona kada se Fermi nivo gornjeg (donjeg) grafena pomakne iznad (ispod) pojasa provodljivosti (valentne) WS2, omogućavajući elektronu (rupi) da tunelira u provodljivost (valentnost) opseg WS2. Ovo stvara povoljne uslove za formiranje eksitona u WS2 sloju sa naknadnom radijacionom (radijativnom) rekombinacijom elektron-rupa.
Za razliku od emitera svjetlosti na pn spoju, koji zahtijevaju doping za rad, EL od tunelskih uređaja ovisi isključivo o tunelskoj struji, izbjegavajući optičke gubitke i bilo kakve promjene u otpornosti uzrokovane promjenama temperature. U isto vrijeme, arhitektura tunela omogućava mnogo veći emisioni region u poređenju sa dihalkogenidnim uređajima zasnovanim na pn spojevima.
Image Image 1d pokazuje električne karakteristike gustine tunelske struje (J) kao funkcija prednapona (V) između grafenskih elektroda. Oštar porast struje i za pozitivne i za negativne napone ukazuje na pojavu tunelske struje kroz strukturu. Pri optimalnoj debljini hBN slojeva (~2 nm), uočena je značajna tunelska struja i povećanje vijeka trajanja ugrađenih nosača za radijacijsku rekombinaciju.
Prije izvođenja eksperimenta elektroluminiscencije, uređaj je okarakteriziran reflektacijom bijelog svjetla s razlučivanjem ugla kako bi se potvrdilo prisustvo jake ekscitonske sprege.
Slika #2
Na slici 2a Prikazani su spektri refleksije pod kutom iz aktivnog područja uređaja, pokazujući ponašanje protiv ukrštanja. Fotoluminiscencija (PL) je također uočena pod nerezonantnom ekscitacijom (460 nm), pokazujući intenzivnu emisiju iz donje polaritonske grane i slabiju emisiju iz gornje polaritonske grane (2b).
U 2c prikazuje disperziju elektroluminiscencije polaritona pri brzini ubrizgavanja od 0.1 μA/μm2. Rabijevo cijepanje i određivanje šupljine dobiveno prilagođavanjem modova oscilatora (puna i isprekidana bijela linija) u EL eksperiment su ～33 meV i ～-13 meV, respektivno. Depodešavanje šupljine je definisano kao δ = Ec − Ex, gde je Ex energija eksitona, a Ec označava energiju fotona šupljine sa nultim momentom u ravni. Raspored 2d Ovo je rez pod različitim uglovima od elektroluminiscentne disperzije. Ovdje je jasno vidljiva disperzija gornjeg i donjeg polaritonskog moda sa anticrossing koji se javlja u zoni ekscitonske rezonancije.
Slika #3
Kako se tunelska struja povećava, ukupni intenzitet EL raste. Slab EL od polaritona je uočen blizu pomaka praga (3a), dok pri dovoljno velikom pomaku iznad praga, polaritonska emisija postaje jasna (3b).
Na slici 3c prikazuje polarni dijagram EL intenziteta kao funkciju ugla, prikazujući uski emisioni konus od ±15°. Shema zračenja ostaje gotovo nepromijenjena i za minimalnu (zelena kriva) i maksimalnu (narandžasta kriva) pobudnu struju. On 3d prikazuje integrisani intenzitet za različite pokretne tunelske struje, koji je, kao što se vidi iz grafikona, prilično linearan. Stoga, povećanje struje na visoke vrijednosti može dovesti do uspješnog raspršivanja polaritona duž donje grane i stvoriti izuzetno uski obrazac emisije zbog generiranja polaritona. Međutim, u ovom eksperimentu to nije bilo moguće postići zbog ograničenja povezanog s dielektričnim slomom hBN tunelske barijere.
Crvene tačke uključene 3d pokazuju mjerenja drugog indikatora - eksternog kvantna efikasnost*.
Kvantna efikasnost* — omjer broja fotona, čija je apsorpcija izazvala formiranje kvazičestica, prema ukupnom broju apsorbiranih fotona.
Uočena kvantna efikasnost je uporediva sa onom kod drugih polaritonskih LED dioda (na bazi organskih materijala, ugljeničnih cevi, itd.). Vrijedi napomenuti da je u ispitivanom uređaju debljina sloja koji emituje svjetlost samo 0.7 nm, dok je kod ostalih uređaja ta vrijednost mnogo veća. Naučnici ne kriju da kvantna efikasnost njihovog uređaja nije najveća, ali se može povećati postavljanjem većeg broja monoslojeva unutar zone tunela, odvojenih tankim slojevima hBN.
Istraživači su takođe testirali efekat depodešavanja rezonatora na polariton EL tako što su napravili još jedan uređaj, ali sa jačim podešavanjem (-43 meV).
Slika #4
Na slici 4a EL spektri sa kutnom rezolucijom takvog uređaja prikazani su pri gustoći struje od 0.2 μA/μm2. Zbog jakog određivanja, uređaj pokazuje izražen efekat uskog grla u EL sa maksimumom emisije koji se javlja pod velikim uglom. Ovo je dodatno potvrđeno na slici 4b, gdje se polarni grafovi ovog uređaja upoređuju sa prvim (2c).
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Dakle, sva gore opisana zapažanja i mjerenja potvrđuju prisustvo polaritonske elektroluminiscencije u vdW heterostrukturi ugrađenoj u optičku mikrošupljinu. Tunelska arhitektura uređaja koji se proučava osigurava uvođenje elektrona/rupa i rekombinaciju u monosloj WS2, koji služi kao emiter svjetlosti. Važno je da tunelski mehanizam uređaja ne zahtijeva legiranje komponenti, čime se minimiziraju gubici i različite temperaturne promjene.
Utvrđeno je da EL ima visoku usmjerenost zbog disperzije rezonatora. Stoga će poboljšanje faktora kvaliteta šupljine i veća isporuka struje poboljšati efikasnost mikrošupljinskih LED dioda, kao i električno kontroliranih polaritona mikrošupljine i fotonskih lasera.
Ovaj rad je još jednom potvrdio da dihalkogenidi prelaznih metala imaju zaista jedinstvena svojstva i veoma širok spektar primena.
Takva istraživanja i inovativni izumi mogu u velikoj mjeri utjecati na razvoj i širenje tehnologija prijenosa podataka korištenjem LED dioda i samog svjetla. Takve futurističke tehnologije uključuju Li-Fi, koji može pružiti znatno veće brzine od trenutno dostupne Wi-Fi mreže.
Hvala vam na pažnji, budite radoznali i ugodnu sedmicu svima! 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivijeg sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com