Per parechji anni, i scientisti di tuttu u mondu anu fattu duie cose - inventà è migliurà. È qualchì volta ùn hè micca chjaru quale di questi hè più difficiule. Pigliate, per esempiu, LED ordinali, chì parenu cusì simplici è ordinariu per noi chì ùn avemu micca attentu à elli. Ma s'ellu aghjunghjenu alcuni excitons, un pizzicu di polaritons è di disulfide di tungstenu à u gustu, i LED ùn saranu più prosaici. Tutti issi termini astrusi sò i nomi di cumpunenti estremamente inusual, a cumminazzioni di quale hà permessu à i scientisti di u City College di New York per creà un novu sistema chì pò trasmette infurmazioni estremamente rapidamente cù a luce. Stu sviluppu aiutarà à migliurà a tecnulugia Li-Fi. Chì sò esattamente l'ingredienti di a nova tecnulugia utilizata, quale hè a ricetta per stu "piattu" è quale hè l'efficienza di u novu LED exciton-polariton? U rapportu di i scientisti ci dirà di questu. Vai.
Basi di ricerca
Se tuttu hè simplificatu à una parolla, allora sta tecnulugia hè ligera è tuttu ciò chì hè cunnessu cù questu. Prima, i polaritons, chì nascenu quandu i fotoni interagiscenu cù l'excitazioni medie (fononi, ecconi, plasmoni, magnoni, etc.). In siconda, l'excitons sò l'excitazione elettronica in un dielettricu, semiconductor o metale, migrate attraversu u cristallu è micca assuciatu cù u trasferimentu di carica elettrica è massa.
Hè impurtante à nutà chì sti quasiparticles sò assai affettati di friddu; a so attività pò esse osservata solu à temperature estremamente bassu, chì limita severamente a so applicazione pratica. Ma questu era prima. In questu travagliu, i scientisti anu pussutu superà a limitazione di a temperatura è l'utilizanu à a temperatura di l'ambienti.
A caratteristica principale di i polaritoni hè a capacità di ligà i fotoni l'un à l'altru. I fotoni chì scontranu cù l'atomi di rubidio acquistanu massa. In u prucessu di scontri multipli, i fotoni rimbalzanu l'un l'altru, ma in casi rari formanu coppie è triplette, mentre perde u cumpunente atomicu rapprisintatu da l'atomu di rubidium.
Ma per fà qualcosa cù a luce, deve esse pigliatu. Per questu, hè necessariu un resonatore otticu, chì hè una cumminazione di elementi riflettenti chì formanu una onda di luce permanente.
In stu studiu, ancu più inusual quasiparticles, exciton-polaritons, chì sò furmati per via di l'accoppiamentu forte di excitons è photons intrappulati in una cavità ottica, ghjucanu un rolu cruciale.
Tuttavia, questu ùn hè micca abbastanza, perchè una basa materiale hè necessariu, cusì dì. E quale, s'ellu ùn hè micca dichalcogenide di metalli di transizione (TDM), ghjucà stu rolu megliu cà l'altri. Per esse più precisu, una monolayer di WS2 (tungsten disulfide) hè stata aduprata cum'è u materiale di emissione, chì hà l'energii di ubligatori di exciton impressiunanti, chì diventenu unu di i criterii principali per a scelta di una basa di materiale.
A cumminazzioni di tutti l'elementi descritti sopra hà permessu di creà un LED polariton cuntrullatu elettricamente chì opera à a temperatura di l'ambienti.
Per implementà stu dispusitivu, u monolayer WS2 hè situatu trà e sottili barriere di nitruru di boru esagonale (hBN) cù strati di grafene chì facenu cum'è elettrodi.
Risultati di ricerca
WS2, essendu un dichalcogenide di metalli di transizione, hè ancu un materiale di van der Waals (vdW) atomicamente sottile. Questu indica e so proprietà uniche elettriche, ottiche, meccaniche è termiche.
In cumbinazione cù altri materiali vdW, cum'è u grafene (cum'è un cunduttore) è u nitruru di boru hexagonale (hBN, cum'è un insulator), pò esse realizatu una varietà di dispusitivi semiconduttori cuntrullati elettricamente, chì includenu LED. Cumminzioni simili di materiali di van der Waals è polaritoni sò digià realizati prima, cum'è i circadori dichjaranu in modu sinceru. In ogni casu, in i scritti precedenti, i sistemi resultanti eranu cumplessi è imperfetti, è ùn anu micca revelatu u potenziale sanu di ognunu di i cumpunenti.
Una di l'idee inspirate da i predecessori era l'usu di una piattaforma materiale bidimensionale. In questu casu, hè pussibule implementà i dispositi cù strati d'emissione atomicamente sottili chì ponu esse integrati cù altri materiali vdW chì facenu cum'è cuntatti (grafene) è barriere di tunneling (hBN). Inoltre, sta bidimensionalità permette di cumminà i LED di polariton cù materiali vdW chì anu proprietà magnetichi inusual, superconduttività forte è / o trasferimenti topologichi non standard. In u risultatu di una tale cumminazione, pudete ottene un tipu completamente novu di dispusitivu, e proprietà di quale pò esse assai inusual. Ma, cum'è i scientisti dicenu, questu hè un tema per un altru studiu.
Image #1
Nantu à l'imaghjini 1 mostra un mudellu tridimensionale di un dispositivu chì s'assumiglia à una torta di strati. U specchiu superiore di u resonatore otticu hè una strata d'argentu, è u specchiu più bassu hè un stratu 12 distribuitu. Riflettore Bragg*. Ci hè una zona di tunnel in a regione attiva.
Riflettore Bragg distribuitu* - una struttura di parechji strati, in quale l'indice di rifrazione di u materiale cambia perpendicularmente à i strati.
A zona di u tunnel hè custituita da una eterostruttura vdW composta da un monolayer WS2 (emettitore di luce), sottili strati hBN da i dui lati di u monolayer (barriera tunnel) è graphene (elettrodi trasparenti per l'intruduzioni di elettroni è buchi).
Dui più strati WS2 sò stati aghjunti per aumentà a forza generale di l'oscillatore è dunque per avè una divisione Rabi più pronunciata di i stati polaritoni.
U modu di funziunamentu di u resonatore hè sintonizatu cambiendu u gruixu di a capa PMMA (metacrilate di polimetile, vale à dì plexiglass).
Image Image 1b Questu hè un snapshot di una heterostructure vdW nantu à a superficia di un riflettore Bragg distribuitu. A causa di l'alta riflettività di u riflettore Bragg distribuitu, chì hè a capa di fondu, a zona di u tunelu in l'imaghjini hà un cuntrastu di riflessione assai bassu, per via di quale hè osservatu solu a strata grossa superiore di hBN.
Graficu 1c rapprisenta u diagramma di zona di l'eterostruttura vdW in a geometria di u tunnel sottu spostamentu. L'elettroluminescenza (EL) hè osservata sopra a tensione di soglia quandu u nivellu di Fermi di u grafene superiore (inferiore) hè spustatu sopra (sottu) a banda di cunduzzione WS2 (valenza), chì permette à un elettrone (bucu) di tunnellà in a cunduzzione WS2 (valenza). banda. Questu crea cundizioni favurevuli per a furmazione di eccitoni in a strata WS2 seguita da a recombinazione radiativa (radiativa) di l'elettroni.
A cuntrariu di emettitori di luce basati in junctions pn, chì necessitanu doping per operare, l'EL da i dispositi di u tunnel dipende solu da a corrente di u tunnel, chì evita perdite ottiche è qualsiasi cambiamenti di resistività causati da cambiamenti di temperatura. À u listessu tempu, l'architettura di u tunnel permette una zona di radiazione assai più grande paragunata à i dispusitivi dichalcogenide basati in junctions pn.
Image Image 1d mostra e caratteristiche elettriche di a densità di corrente di tunneling (J) in funzione di a tensione di polarizazione (V) trà l'elettrodi di grafene. Un forte aumentu di a corrente per a tensione pusitiva è negativa indica l'occurrence di una corrente di tunneling attraversu a struttura. À u spessore ottimale di strati hBN (~ 2 nm), si osserva un currente di tunneling significativu è un aumentu di a vita di i trasportatori implantati per a recombinazione radiativa.
Prima di l'esperimentu di l'elettroluminescenza, u dispusitivu era carattarizatu da a riflettività di a luce bianca cù una risuluzione angulare per cunfirmà a prisenza di un forte ligame di exciton.
Image #2
Nantu à l'imaghjini 2 Spettri riflettanza angle-risolta da a regione attiva di u dispusitivu sò mostra, mustrà cumpurtamentu anti-crossing. A fotoluminescenza (PL) hè stata osservata ancu cù eccitazione non-resonante (460 nm), chì mostra una emissione intensa da u ramu inferiore di u polaritonu è emissione più debule da u ramu superiore di u polaritone (2b).
nantu 2c la dispersion de l'électroluminescence d'un polariton est montrée pour un insertion de 0.1 μA/μm2. U splitting Rabi è u resonator detuning ottenutu da l'adattamentu di i modi di l'oscillatore (linea bianca solida è punteggiata) à l'esperimentu elettroluminescenza sò ～33 meV è ～-13 meV, rispettivamente. U disaccordu di risonatore hè definitu cum'è δ = Ec - Ex, induve Ex hè l'energia di l'exciton è Ec hè l'energia di u fotoni di risuoni cù momentum zero in u pianu. Schedule 2d hè un cut in differente anguli da a dispersione electroluminescent. Quì si pò vede chjaramente a dispersione di i modi di polariton superiore è inferiore cù l'anticrossing in a zona di resonance exciton.
Image #3
Cume a corrente di tunneling aumenta, l'intensità EL totale aumenta. L'EL debule da i polaritoni hè osservatu vicinu à u bias di soglia (3), mentri à un shift abbastanza grande sopra u sogliu, l'emissione di polariton diventa distinta (3b).
Nantu à l'imaghjini 3c mostra un graficu polare di l'intensità di l'EL in funzione di l'angolo, rapprisentanu un conu di emissione strettu di ± 15 °. U mudellu di radiazione resta praticamente invariatu per a corrente di eccitazione minima (curva verde) è massima (curva aranciu). On 3d l'intensità integrata hè mostrata per diverse correnti di tunnel in muvimentu, chì, cum'è si pò vede da u graficu, hè abbastanza lineare. Per quessa, l'aumentu di u currente à i valori elevati pò purtà à a sparghjera di i polaritoni in u ramu più bassu è crea un mudellu di radiazione estremamente strettu per via di a generazione di polaritoni. Tuttavia, in questu esperimentu, questu ùn era micca pussibule per via di a limitazione assuciata à a rottura dielettrica di a barriera di tunneling hBN.
punti rossi nantu 3d mostra e misure di un altru indicatore - esternu efficienza quantica *.
Efficienza Quantum* hè u rapportu di u nùmeru di fotoni chì l'assorbimentu hà causatu a furmazione di quasiparticule à u numeru tutale di fotoni assorbiti.
L'efficienza quantum osservata hè paragunabile à quella in altri LED polariton (basatu nantu à materiali organici, tubi di carbone, etc.). Semu devi esse nutatu chì u gruixu di a capa di emissione di luce in u dispusitivu studiatu hè solu 0.7 nm, mentre chì in altri dispositi stu valore hè assai più altu. I scientisti ùn ammuccianu micca u fattu chì l'indice di efficienza quantum di u so dispusitivu ùn hè micca u più altu, ma pò esse aumentatu mettendu un nùmeru più grande di monolayers in a zona di u tunnel, siparati da strati sottili di hBN.
I circadori anu ancu pruvatu l'influenza di u resonator detuning nantu à l'EL di u polariton facennu un altru dispusitivu, ma cù un detuning più forte (-43 meV).
Image #4
Nantu à l'imaghjini 4 I spettri EL sò mostrati cù una risoluzione angulare di un tali dispositivu à una densità di corrente di 0.2 μA/μm2. A causa di u forte detuning, u dispusitivu mostra un effettu di collu di bottiglia pronunciatu in l'EL cù un massimu di emissione chì si trova in un grande angolo. Questu hè più cunfirmatu in l'imagine. 4b, induve e trame polari di stu dispusitivu sò paragunate cù u primu (2c).
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà .
Epilogue
Cusì, tutte l'osservazioni è e misurazioni sopra cunfirmanu a prisenza di l'elettroluminescenza di polariton in una eterostruttura vdW incrustata in una microcavità ottica. L'architettura di u tunnel di u dispusitivu in studiu assicura l'intruduzione di l'elettroni / buchi è a recombinazione in a monolayer WS2, chì serve cum'è emettitore di luce. Hè impurtante chì u mecanismu di u tunnel di u dispusitivu ùn hà micca bisognu di l'alliage di cumpunenti, chì minimizes perdite è varii cambiamenti di temperatura.
Hè statu truvatu chì l'EL hà una alta direttività per via di a dispersione di u resonatore. Per quessa, migliurà u fattore di qualità di u risonatore è un suministru di corrente più altu migliurà l'efficienza di i LED di microcavità, è ancu i polaritoni di microcavità cuntrullati elettricamente è laser di fotoni.
Stu travagliu una volta hà cunfirmatu chì i dichalcogenidi di metalli di transizione anu pruprietà veramente unichi è una larga gamma di applicazioni.
Tali ricerca è invenzioni innovatori ponu influenzà assai u sviluppu è a diffusione di tecnulugii di trasmissione di dati attraversu LED è luce stessu. Tali tecnulugii futuristiche includenu Li-Fi, chì ponu furnisce una velocità significativamente più veloce di u Wi-Fi attualmente dispunibule.
Grazie per a vostra attenzione, restate curiosi è bona settimana à tutti ! 🙂
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