Durant molts anys, científics d'arreu del món han estat fent dues coses: inventar i millorar. I de vegades no està clar quin d'aquests és més difícil. Prenguem, per exemple, els LED corrents, que ens semblen tan senzills i corrents que no els fem cas. Però si afegiu uns excitons, una mica de polaritons i disulfur de tungstè al gust, els LED ja no seran tan prosaics. Tots aquests termes abstrusos són els noms de components extremadament inusuals, la combinació dels quals va permetre als científics del City College de Nova York crear un nou sistema que pot transmetre informació amb molta rapidesa mitjançant la llum. Aquest desenvolupament ajudarà a millorar la tecnologia Li-Fi. Quins eren exactament els ingredients de la nova tecnologia utilitzada, quina és la recepta d'aquest "plat" i quina és l'eficiència del nou LED exciton-polariton? L'informe dels científics ens ho explicarà. Vés.
Base de recerca
Si tot es simplifica en una paraula, aleshores aquesta tecnologia és lleugera i tot el que hi està connectat. En primer lloc, els polaritons, que sorgeixen quan els fotons interaccionen amb excitacions mitjanes (fonons, excitons, plasmons, magnons, etc.). En segon lloc, els excitons són excitació electrònica en un dielèctric, semiconductor o metall, que migren a través del cristall i no estan associats a la transferència de càrrega i massa elèctrica.
És important tenir en compte que aquestes quasipartícules són molt aficionades al fred; la seva activitat només es pot observar a temperatures extremadament baixes, la qual cosa limita molt la seva aplicació pràctica. Però això era abans. En aquest treball, els científics van poder superar la limitació de temperatura i utilitzar-los a temperatura ambient.
La característica principal dels polaritons és la capacitat d'unir fotons entre si. Els fotons que xoquen amb els àtoms de rubidi adquireixen massa. En el procés de col·lisions múltiples, els fotons reboten entre si, però en casos rars formen parells i triplets, alhora que perden el component atòmic representat per l'àtom de rubidi.
Però per fer alguna cosa amb la llum, s'ha d'agafar. Per a això, es necessita un ressonador òptic, que és una combinació d'elements reflectants que formen una ona de llum estacionària.
En aquest estudi, les quasipartícules encara més inusuals, els excitons-polaritons, que es formen a causa del fort acoblament dels excitons i els fotons atrapats en una cavitat òptica, tenen un paper crucial.
Tanmateix, això no és suficient, perquè cal una base material, per dir-ho d'alguna manera. I qui, si no dicalcogenur de metalls de transició (TDM), jugarà aquest paper millor que altres. Per ser més precisos, es va utilitzar una monocapa de WS2 (disulfur de tungstè) com a material emissor, que té unes energies d'unió d'excitons impressionants, que es van convertir en un dels criteris principals per triar una base de material.
La combinació de tots els elements descrits anteriorment va permetre crear un LED polariton controlat elèctricament que funcionava a temperatura ambient.
Per implementar aquest dispositiu, la monocapa WS2 es troba entre barreres de nitrur de bor hexagonal primes (hBN) amb capes de grafè que actuen com a elèctrodes.
Resultats de l'estudi
El WS2, sent un dicalcogenur de metall de transició, també és un material van der Waals (vdW) atòmicament prim. Això indica les seves propietats elèctriques, òptiques, mecàniques i tèrmiques úniques.
En combinació amb altres materials vdW, com ara el grafè (com a conductor) i el nitrur de bor hexagonal (hBN, com a aïllant), es poden realitzar tota una varietat de dispositius semiconductors controlats elèctricament, que inclouen LED. Combinacions similars de materials de van der Waals i polaritons ja s'han realitzat abans, tal com afirmen amb franquesa els investigadors. Tanmateix, en escrits anteriors, els sistemes resultants eren complexos i imperfectes, i no revelaven tot el potencial de cadascun dels components.
Una de les idees inspirades en els predecessors va ser l'ús d'una plataforma de material bidimensional. En aquest cas, és possible implementar dispositius amb capes d'emissió atòmicament primes que es poden integrar amb altres materials vdW que actuen com a contactes (grafè) i barreres de túnel (hBN). A més, aquesta bidimensionalitat permet combinar LED polariton amb materials vdW amb propietats magnètiques inusuals, una forta superconductivitat i/o transferències topològiques no estàndard. Com a resultat d'aquesta combinació, podeu obtenir un tipus de dispositiu completament nou, les propietats del qual poden ser molt inusuals. Però, com diuen els científics, aquest és un tema per a un altre estudi.
Imatge #1
A la imatge 1a mostra un model tridimensional d'un dispositiu que s'assembla a un pastís de capes. El mirall superior del ressonador òptic és una capa de plata, i l'inferior és una de 12 capes distribuïdes. reflector Bragg*. Hi ha una zona de túnel a la regió activa.
Reflector Bragg distribuït* - una estructura de diverses capes, en la qual l'índex de refracció del material canvia periòdicament perpendicularment a les capes.
La zona del túnel consta d'una heteroestructura vdW formada per una monocapa WS2 (emissor de llum), capes primes de hBN a banda i banda de la monocapa (barrera del túnel) i grafè (elèctrodes transparents per a la introducció d'electrons i forats).
Es van afegir dues capes WS2 més per augmentar la força general de l'oscil·lador i, per tant, tenir una divisió Rabi més pronunciada dels estats de polariton.
El mode de funcionament del ressonador s'ajusta canviant el gruix de la capa de PMMA (metacrilat de polimetil, és a dir, plexiglàs).
Изображение 1b aquesta és una instantània d'una heteroestructura vdW a la superfície d'un reflector Bragg distribuït. A causa de l'alta reflectivitat del reflector Bragg distribuït, que és la capa inferior, la zona del túnel de la imatge té un contrast de reflexió molt baix, com a resultat del qual només s'observa la capa gruixuda superior de hBN.
Programar 1 s representa el diagrama de zones de l'heteroestructura vdW a la geometria del túnel sota desplaçament. L'electroluminescència (EL) s'observa per sobre de la tensió llindar quan el nivell de Fermi del grafè superior (inferior) es desplaça per sobre (a sota) de la banda de conducció (valència) WS2, permetent que un electró (forat) entri en túnel a la conducció WS2 (valència). banda. Això crea condicions favorables per a la formació d'excions a la capa WS2 seguida d'una recombinació radiativa (radiativa) d'electrons-forat.
A diferència dels emissors de llum basats en unions pn, que requereixen dopatge per funcionar, l'EL dels dispositius del túnel depèn únicament del corrent del túnel, que evita pèrdues òptiques i qualsevol canvi de resistivitat causat pels canvis de temperatura. Al mateix temps, l'arquitectura del túnel permet una àrea de radiació molt més gran en comparació amb els dispositius de dicalcogenur basats en unions pn.
Изображение 1d demostra les característiques elèctriques de la densitat de corrent de túnel (J) en funció de la tensió de polarització (V) entre elèctrodes de grafè. Un fort augment del corrent tant per a la tensió positiva com negativa indica l'aparició d'un corrent de túnel a través de l'estructura. Al gruix òptim de les capes de hBN (~ 2 nm), s'observa un corrent de túnel significatiu i un augment de la vida útil dels portadors implantats per a la recombinació radiativa.
Abans de l'experiment d'electroluminescència, el dispositiu es caracteritzava per una reflectància de la llum blanca amb resolució angular per confirmar la presència d'una forta unió d'excitons.
Imatge #2
A la imatge 2a Es mostren els espectres de reflectància resolts per angle de la regió activa del dispositiu, que mostren un comportament anti-encreuament. També es va observar fotoluminescència (PL) amb excitació no ressonant (460 nm), mostrant una emissió intensa de la branca inferior del polaritó i una emissió més feble de la branca superior del polaritó (2b).
En 2 s es mostra la dispersió de l'electroluminescència d'un polaritó per a una inserció de 0.1 μA/μm2. La divisió Rabi i la desintonització del ressonador obtingudes en ajustar els modes d'oscil·lador (línia blanca sòlida i de punts) a l'experiment d'electroluminescència són ～33 meV i ～-13 meV, respectivament. La desintonització del ressonador es defineix com δ = Ec − Ex, on Ex és l'energia de l'excitó i Ec és l'energia del foton del ressonador amb moment zero en el pla. Horari 2d és un tall en diferents angles de la dispersió electroluminescent. Aquí es pot veure clarament la dispersió dels modes de polariton superior i inferior amb anticreuament que es produeix a la zona de ressonància de l'excitó.
Imatge #3
A mesura que augmenta el corrent de túnel, augmenta la intensitat EL total. S'observa una EL feble dels polaritons prop del biaix del llindar (3a), mentre que a un desplaçament prou gran per sobre del llindar, l'emissió de polariton es fa diferent (3b).
A la imatge 3 s mostra un gràfic polar de la intensitat EL en funció de l'angle, que representa un con d'emissió estret de ± 15 °. El patró de radiació es manté pràcticament sense canvis tant per al corrent d'excitació mínim (corba verda) com per al màxim (corba taronja). Encès 3d la intensitat integrada es mostra per a diversos corrents de túnel en moviment, que, com es pot veure al gràfic, és força lineal. Per tant, augmentar el corrent a valors alts pot conduir a una dispersió reeixida de polaritons al llarg de la branca inferior i crear un patró de radiació extremadament estret a causa de la generació de polaritons. Tanmateix, en aquest experiment, això no va ser possible a causa de la limitació associada a la ruptura dielèctrica de la barrera de túnel hBN.
punts vermells 3d mostrar les mesures d'un altre indicador - extern eficiència quàntica*.
Eficiència quàntica* és la relació entre el nombre de fotons l'absorció dels quals va provocar la formació de quasipartícules i el nombre total de fotons absorbits.
L'eficiència quàntica observada és comparable a la d'altres LED polaritons (basats en materials orgànics, tubs de carboni, etc.). Cal tenir en compte que el gruix de la capa emissora de llum en el dispositiu objecte d'estudi és de només 0.7 nm, mentre que en altres dispositius aquest valor és molt superior. Els científics no amaguen el fet que l'índex d'eficiència quàntica del seu dispositiu no és el més alt, però es pot augmentar col·locant un nombre més gran de monocapes dins de la zona del túnel, separades per capes fines de hBN.
Els investigadors també van provar la influència de la desintonització del ressonador en el polariton EL fent un altre dispositiu, però amb una desintonització més forta (-43 meV).
Imatge #4
A la imatge 4a Els espectres EL es mostren amb una resolució angular d'aquest dispositiu a una densitat de corrent de 0.2 μA/μm2. A causa de la forta desintonització, el dispositiu presenta un efecte coll d'ampolla pronunciat a l'EL amb un màxim d'emissió que es produeix en un gran angle. Això es confirma encara més a la imatge. 4b, on es comparen els diagrames polars d'aquest dispositiu amb el primer (2 s).
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar .
Epíleg
Així, totes les observacions i mesures descrites anteriorment confirmen la presència d'electroluminescència de polariton en una heteroestructura vdW incrustada en una microcavitat òptica. L'arquitectura del túnel del dispositiu en estudi garanteix la introducció d'electrons/forats i la recombinació a la monocapa WS2, que serveix com a emissor de llum. És important que el mecanisme del túnel del dispositiu no requereixi l'aliatge de components, la qual cosa minimitza les pèrdues i els diferents canvis relacionats amb la temperatura.
Es va trobar que l'EL té una alta directivitat a causa de la dispersió del ressonador. Per tant, la millora del factor de qualitat del ressonador i un subministrament de corrent més alt millorarà l'eficiència dels LED de microcavitat, així com els polarits de microcavitat controlats elèctricament i els làsers de fotons.
Aquest treball va confirmar una vegada més que els dicalcogenurs de metalls de transició tenen propietats realment úniques i un ventall molt ampli d'aplicacions.
Aquestes investigacions i invents innovadors poden influir en gran mesura en el desenvolupament i la difusió de tecnologies de transmissió de dades mitjançant LED i la pròpia llum. Aquestes tecnologies futuristes inclouen Li-Fi, que pot proporcionar velocitats significativament més ràpides que les Wi-Fi disponibles actualment.
Gràcies per la vostra atenció, sigueu curiosos i que passeu una bona setmana a tots! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com