Vědci z celého světa se již mnoho let věnují dvěma věcem – vymýšlení a zlepšování. A někdy není jasné, která z nich je obtížnější. Vezměte si například obyčejné LED, které se nám zdají tak jednoduché a obyčejné, že jim nevěnujeme pozornost. Když ale přidáte nějaké excitony, špetku polaritonů a sulfid wolframu podle chuti, LEDky už tak prozaické nebudou. Všechny tyto nejasné pojmy jsou názvy extrémně neobvyklých komponent, jejichž kombinace umožnila vědcům z City College of New York vytvořit nový systém, který dokáže extrémně rychle přenášet informace pomocí světla. Tento vývoj pomůže zlepšit technologii Li-Fi. Jaké byly konkrétně použité ingredience nové technologie, jaký je recept na toto „jídlo“ a jaká je účinnost nové exciton-polaritonové LED? Zpráva vědců nám o tom řekne. Jít.
Výzkumná základna
Pokud se vše zjednoduší do jednoho slova, pak je tato technologie lehká a vše s ní spojené. Za prvé polaritony, které vznikají při interakci fotonů se středními excitacemi (fonony, excitony, plasmony, magnony atd.). Za druhé, excitony jsou elektronické buzení v dielektriku, polovodiči nebo kovu, které migruje krystalem a není spojeno s přenosem elektrického náboje a hmoty.
Je důležité poznamenat, že tyto kvazičástice mají velmi rády chlad; jejich aktivitu lze pozorovat pouze při extrémně nízkých teplotách, což značně omezuje jejich praktické použití. Ale to bylo předtím. V této práci byli vědci schopni překonat teplotní omezení a použít je při pokojových teplotách.
Hlavním rysem polaritonů je schopnost vázat fotony na sebe. Fotony srážející se s atomy rubidia získávají hmotnost. V procesu vícečetných srážek se fotony od sebe odrážejí, ale ve vzácných případech tvoří páry a trojice, přičemž ztrácejí atomovou složku představovanou atomem rubidia.
Aby se ale se světlem dalo něco udělat, musí se chytit. K tomu je potřeba optický rezonátor, což je kombinace reflexních prvků, které tvoří stojatou světelnou vlnu.
V této studii hrají zásadní roli ještě neobvyklé kvazičástice, exciton-polaritony, které vznikají díky silné vazbě excitonů a fotonů zachycených v optické dutině.
To však nestačí, protože materiální základ je takříkajíc nezbytný. A kdo, když ne dichalkogenid přechodného kovu (TDM), bude hrát tuto roli lépe než ostatní. Přesněji řečeno, jako emitující materiál byla použita monovrstva WS2 (disulfid wolframu), který má působivé vazebné energie excitonu, což se stalo jedním z hlavních kritérií pro výběr materiálové báze.
Kombinace všech výše popsaných prvků umožnila vytvořit elektricky ovládanou polaritonovou LED pracující při pokojové teplotě.
Pro implementaci tohoto zařízení je monovrstva WS2 umístěna mezi tunelovacími bariérami z tenkého hexagonálního nitridu boru (hBN) s vrstvami grafenu působícími jako elektrody.
Výsledky výzkumu
WS2, což je dichalkogenid přechodného kovu, je také atomově tenký van der Waalsův (vdW) materiál. To ukazuje na jeho jedinečné elektrické, optické, mechanické a tepelné vlastnosti.
V kombinaci s dalšími vdW materiály, jako je grafen (jako vodič) a hexagonální nitrid boru (hBN, jako izolant), lze realizovat celou řadu elektricky řízených polovodičových zařízení, mezi které patří LED. Podobné kombinace van der Waalsových materiálů a polaritonů již byly realizovány dříve, jak vědci upřímně prohlašují. V předchozích spisech však byly výsledné systémy složité a nedokonalé a neodhalily plný potenciál každé z komponent.
Jedním z nápadů inspirovaných předchůdci bylo použití dvourozměrné materiálové platformy. V tomto případě je možné implementovat zařízení s atomově tenkými emisními vrstvami, které lze integrovat s dalšími vdW materiály fungujícími jako kontakty (grafen) a tunelové bariéry (hBN). Tato dvourozměrnost navíc umožňuje kombinovat polaritonové LED s vdW materiály s neobvyklými magnetickými vlastnostmi, silnou supravodivostí a/nebo nestandardními topologickými přenosy. V důsledku takové kombinace můžete získat zcela nový typ zařízení, jehož vlastnosti mohou být velmi neobvyklé. Jak ale říkají vědci, toto je téma pro další studii.
Obrázek č. 1
Na obrázku 1a ukazuje trojrozměrný model zařízení, které připomíná vrstvený dort. Horní zrcadlo optického rezonátoru je stříbrná vrstva a spodní je 12vrstvá distribuovaná Bragg reflektor*. V aktivní oblasti je tunelová zóna.
Distribuovaný Braggův reflektor* - struktura více vrstev, ve kterých se index lomu materiálu periodicky mění kolmo k vrstvám.
Tunelová zóna se skládá z vdW heterostruktury sestávající z WS2 monovrstvy (světelný emitor), tenkých hBN vrstev na obou stranách monovrstvy (tunelová bariéra) a grafenu (průhledné elektrody pro zavádění elektronů a děr).
Dvě další vrstvy WS2 byly přidány pro zvýšení celkové síly oscilátoru a tudíž pro výraznější Rabiho štěpení polaritonových stavů.
Pracovní režim rezonátoru se ladí změnou tloušťky vrstvy PMMA (polymethylmethakrylát, tedy plexisklo).
Изображение 1b toto je snímek heterostruktury vdW na povrchu distribuovaného Braggova reflektoru. Díky vysoké odrazivosti distribuovaného Braggova reflektoru, což je spodní vrstva, má tunelová zóna na snímku velmi nízký kontrast odrazu, v důsledku čehož je pozorována pouze horní silná vrstva hBN.
Naplánovat 1 představuje zónový diagram heterostruktury vdW v geometrii tunelu při posunu. Elektroluminiscence (EL) je pozorována nad prahovým napětím, když se Fermiho hladina horního (spodního) grafenu posune nad (pod) vodivostní (valenční) pásmo WS2, což umožňuje elektronu (díra) tunelovat do vodivosti (valence) WS2. kapela. To vytváří příznivé podmínky pro vznik excitonů ve vrstvě WS2 s následnou radiační (radiační) rekombinací elektron-díra.
Na rozdíl od světelných zářičů založených na pn přechodech, které ke svému provozu vyžadují doping, závisí EL z tunelových zařízení pouze na tunelovém proudu, což zabraňuje optickým ztrátám a jakýmkoli změnám odporu způsobeným změnami teploty. Architektura tunelu zároveň umožňuje mnohem větší radiační plochu ve srovnání s dichalkogenidovými zařízeními založenými na pn přechodech.
Изображение 1d demonstruje elektrické charakteristiky hustoty tunelového proudu (J) jako funkce předpětí (V) mezi grafenovými elektrodami. Prudký nárůst proudu pro kladné i záporné napětí indikuje výskyt tunelového proudu skrz konstrukci. Při optimální tloušťce vrstev hBN (~2 nm) je pozorován významný tunelovací proud a prodloužení životnosti implantovaných nosičů pro radiační rekombinaci.
Před elektroluminiscenčním experimentem bylo zařízení charakterizováno odrazivostí bílého světla s úhlovým rozlišením pro potvrzení přítomnosti silné vazby excitonu.
Obrázek č. 2
Na obrázku 2a jsou zobrazena úhlově rozlišená spektra odrazivosti z aktivní oblasti zařízení, která ukazují chování proti křížení. Fotoluminiscence (PL) byla také pozorována s nerezonanční excitací (460 nm), vykazující intenzivní emisi ze spodní větve polaritonu a slabší emisi z horní větve polaritonu (2b).
Na 2 disperze elektroluminiscence polaritonu je ukázána pro vložení 0.1 μA/μm2. Rabiho dělení a rozladění rezonátoru získané přizpůsobením režimů oscilátoru (plná a tečkovaná bílá čára) elektroluminiscenčnímu experimentu jsou ～33 meV a ～-13 meV, v tomto pořadí. Rozladění rezonátoru je definováno jako δ = Ec − Ex, kde Ex je energie excitonu a Ec je energie fotonu rezonátoru s nulovou hybností v rovině. Plán 2d je to řez v různých úhlech od elektroluminiscenční disperze. Zde je jasně vidět disperze horního a spodního polaritonového módu s anticrossingem vyskytujícím se v zóně excitonové rezonance.
Obrázek č. 3
S rostoucím tunelovacím proudem se zvyšuje celková intenzita EL. Slabá EL z polaritonů je pozorována v blízkosti prahového zkreslení (3a), zatímco při dostatečně velkém posunu nad prahovou hodnotu se polaritonová emise stane zřetelnou (3b).
Na obrázku 3 ukazuje polární graf intenzity EL jako funkci úhlu, zobrazující úzký emisní kužel ± 15°. Vyzařovací diagram zůstává prakticky nezměněn jak pro minimální (zelená křivka), tak pro maximální (oranžová křivka) budící proud. Na 3d integrovaná intenzita je zobrazena pro různé pohyblivé tunelové proudy, která, jak je vidět z grafu, je poměrně lineární. Zvýšení proudu na vysoké hodnoty proto může vést k úspěšnému rozptylu polaritonů podél spodní větve a vytvořit extrémně úzký vyzařovací diagram v důsledku generování polaritonů. V tomto experimentu to však nebylo možné kvůli omezení spojenému s dielektrickým průrazem hBN tunelové bariéry.
červené tečky na 3d zobrazit měření dalšího ukazatele - externího kvantová účinnost*.
Kvantová účinnost* je poměr počtu fotonů, jejichž absorpce způsobila vznik kvazičástic, k celkovému počtu pohlcených fotonů.
Pozorovaná kvantová účinnost je srovnatelná s účinností u jiných polaritonových LED (na bázi organických materiálů, uhlíkových trubic atd.). Nutno podotknout, že tloušťka vrstvy vyzařující světlo u zkoumaného zařízení je pouze 0.7 nm, zatímco u jiných zařízení je tato hodnota mnohem vyšší. Vědci se netají tím, že index kvantové účinnosti jejich zařízení není nejvyšší, lze jej však zvýšit umístěním většího počtu monovrstev uvnitř zóny tunelu, oddělených tenkými vrstvami hBN.
Vědci také testovali vliv rozladění rezonátoru na EL polaritonu vyrobením jiného zařízení, ale se silnějším rozladěním (-43 meV).
Obrázek č. 4
Na obrázku 4a EL spektra jsou zobrazena s úhlovým rozlišením takového zařízení při proudové hustotě 0.2 μA/μm2. Díky silnému rozladění vykazuje zařízení výrazný efekt úzkého hrdla v EL s emisním maximem vyskytujícím se pod velkým úhlem. To je dále potvrzeno na obrázku. 4b, kde jsou polární grafy tohoto zařízení porovnány s prvním (2).
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout .
Epilog
Všechna výše popsaná pozorování a měření tedy potvrzují přítomnost polaritonové elektroluminiscence v heterostruktuře vdW zapuštěné do optické mikrodutiny. Tunelová architektura zkoumaného zařízení zajišťuje vnášení elektronů/děr a rekombinaci v monovrstvě WS2, která slouží jako zářič světla. Je důležité, aby tunelový mechanismus zařízení nevyžadoval legování součástí, což minimalizuje ztráty a různé teplotní změny.
Bylo zjištěno, že EL má vysokou směrovost díky disperzi rezonátoru. Zlepšení kvalitativního faktoru rezonátoru a vyšší přívod proudu tedy zlepší účinnost mikrodutinových LED, stejně jako elektricky řízených mikrodutinových polaritonů a fotonových laserů.
Tato práce opět potvrdila, že dichalkogenidy přechodných kovů mají skutečně unikátní vlastnosti a velmi širokou škálu aplikací.
Takový výzkum a inovativní vynálezy mohou výrazně ovlivnit vývoj a šíření technologií přenosu dat prostřednictvím LED a samotného světla. Mezi takové futuristické technologie patří Li-Fi, která dokáže poskytovat výrazně vyšší rychlosti než v současnosti dostupné Wi-Fi.
Děkuji za pozornost, buďte zvědaví a přeji všem krásný týden! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com