Po mnoho let se vědci z celého světa zabývá dvěma věcmi — vynalézáním a zdokonalováním. A někdy není jasné, co z toho je složitější. Vezměme si například obyčejné LED diody, které se nám zdají tak jednoduché a běžné, že si jich ani nevšímáme. Ale pokud do nich přidáme trochu excitonů, špetku polaritonů a podle chuti disulfid wolframu, LED diody už nebudou tak prosté. Všechny tyto složité termíny jsou názvy velmi neobvyklých komponentů, jejichž kombinace umožnila vědcům z Městské kollege v New Yorku vytvořit nový systém, který dokáže extrémně rychle přenášet informace pomocí světla. Tento vývoj pomůže zdokonalit technologii Li-Fi. Jaké konkrétní ingredience nové technologie byly použity, jaký je recept tohoto „jídla“ a jaká je účinnost práce nové exciton-polaritonové LED diody? O tom nám poví zpráva vědců. Jdeme na to.
Základ výzkumu
Pokud to všechno zjednodušíme na jedno slovo, pak tato technologie je světlo a vše, co s tím souvisí. Za prvé, polaritony, které vznikají při interakci fotonů s excitacemi prostředí (fonony, excitony, plazmony, magnony atd.). Za druhé, excitony — elektronická excitace v dielektriku, polovodiči nebo kovu, která migruje krystalem a není spojena s přenosem elektrického náboje a hmoty.
Je důležité poznamenat, že tyto kvazipartice velmi milují chlad, to znamená, že jejich aktivitu lze pozorovat pouze při velmi nízkých teplotách, což silně omezuje jejich praktické využití. Ale to bylo dříve. V této práci se vědcům podařilo překonat teplotní omezení a používat je při pokojových teplotách.
Hlavní zvláštností polaritonů je možnost spojovat fotony mezi sebou. Foton, který se s atomy rubidia sráží, získává hmotnost. Při opakovaných srážkách fotony odskakují jeden od druhého, ale ve vzácných případech tvoří páry a triplety, přičemž ztrácejí atomovou složku, kterou představuje atom rubidia.
Ale abychom mohli něco udělat se světlem, je třeba ho zachytit. K tomu je potřeba optický rezonátor, což je soubor odrážejících prvků, které vytvářejí stojatou světelnou vlnu.
V této studii hrají klíčovou roli ještě podivnější kvazihmoty – exciton-polaritony, které se formují díky silné vazbě excitonů a fotonů, zachycených v optickém rezonátoru.
Nicméně to nestačí, neboť je potřeba materiální základ, tak říkajíc. A kdo jiný než dichalkogenidy přechodných kovů (DPK) by tady mohl hrát lepší roli. Přesněji řečeno, jako emitující materiál byl použit monovrstvý WS2 (disulfid wolframu), který má působivé vazebné energie excitonů, což se stalo jedním z hlavních kritérií pro výběr materiálního základu.
Soubor všech výše popsaných prvků umožnil vytvořit elektricky řízenou polaritonovou LED, která funguje při pokojové teplotě.
Pro realizaci tohoto zařízení je monovrstvý WS2 umístěn mezi tenké hexagonální tunelové bariéry z nitridu boru (hBN) se vrstvami grafenu, které fungují jako elektrody.
Výsledky výzkumu
WS2, jakožto dichalkogenid přechodných kovů, je také atomárně tenkým Van-der-Waalsovým (vdW) materiálem. To poukazuje na jeho jedinečné elektrické, optické, mechanické a tepelné vlastnosti.
V kombinaci s ostatními vdW materiály, jako je grafen (jako vodič) a hexagonální nitrid boru (hBN, jako izolátor), lze realizovat celou řadu elektricky řízených polovodičových zařízení, mezi něž patří i LED. Takové kombinace Van-der-Waalsových materiálů a polaritonů byly již dříve realizovány, jak otevřeně přiznávají vědci. Nicméně v předchozích pracích byly získané systémy složité a nedokonalé, a také neodhalily celý potenciál každé z komponent.
Jedním z nápadů, jehož inspirací byly předchůdci, je použití dvourozměrné materiálové platformy. V takovém případě je možné realizovat zařízení s atomárně tenkými emisními vrstvami, které mohou být integrovány s dalšími vdW materiály, fungujícími jako kontakty (grafen) a tunelové bariéry (hBN). Kromě toho taková dvourozměrnost umožňuje spojení polaritonových LED s vdW materiály, které mají neobvyklé magnetické vlastnosti, silnou supervodičkost a/nebo netradiční topologické přenosy. Výsledkem této integrace může být zcela nový typ zařízení, jehož vlastnosti mohou být velmi neobvyklé. Ale, jak říkají vědci, to je téma pro jinou studii.
Obrázek č. 1
Na obrázku 1a je zobrazena trojrozměrná modelace zařízení, které připomíná vrstvený dort. Jako horní zrcadlo optického rezonátoru slouží vrstva stříbra, a jako dolní — 12vrstvý rozložený Braggův odrazovač*. V aktivní oblasti se nachází tunelová zóna.
Rozložený Braggův odrazovač* — struktura složená z několika vrstev, ve které se lomivost materiálu periodicky mění kolmo na vrstvy.
Tunelová zóna se skládá z vdW heterostruktury složené z monovrstvy WS2 (zdroj světla), tenkých vrstev hBN po obou stranách monovrstvy (tunelová bariéra) a grafenu (průhledné elektrody pro injekci elektronů a děr).
Byly přidány další dvě vrstvy WS2 ke zvýšení celkové síly generátoru a tím i k výraznějšímu štěpení Rabi polaritonových stavů.
Režim provozu rezonátoru se nastavuje změnou tloušťky vrstvy PMMA (polymethylmethakrylát, tj. plexisklo).
Obrázek 1b je snímek vdW heterostruktury na povrchu rozloženého Braggova odrazovače. V důsledku vysoké odrazivosti rozloženého Braggova odrazovače, který je dolní vrstvou, má tunelová zóna na snímku velmi nízký kontrast odrazu, což způsobuje, že je vidět pouze horní silná vrstva hBN.
Graf 1C představuje oblast diagramu vdW heterostruktury v geometrii tunelu při posunutí. Elektroluminiscence (EL) se pozoruje nad prahovým napětím, když je Fermiho hladina horní (dolní) grafenu posunuta výše (níže) nad vodivostní (valenční) zónu WS2, což umožňuje elektronům (díram) tunelovat do vodivostní (valenční) zóny WS2. To vytváří příznivé podmínky pro vznik excitonů ve vrstvě WS2 s následnou radiací (emise) rekombinace elektron-díra.
Na rozdíl od světelných emitérů založených na p-n-přechodech, které vyžadují legování pro svou činnost, EL z tunelových zařízení závisí výhradně na tunelovém proudu, což umožňuje vyhnout se optickým ztrátám a jakýmkoli změnám specifického odporu způsobeným změnou teploty. Zároveň tunelová architektura umožňuje mnohem větší oblast emise ve srovnání se zařízeními na bázi p-n-přechodů založenými na dichalkogenidech.
Obrázek 1d ukazuje elektrické charakteristiky hustoty tunelového proudu (J) jako funkce posunutého napětí (V) mezi grafenovými elektrodami. Strmý nárůst proudu jak při pozitivním, tak i negativním napětí naznačuje vznik tunelového proudu skrze strukturu. Při optimální tloušťce vrstev hBN (~2 nm) byl pozorován významný tunelový proud a zvýšení doby života zavedených nosičů pro emisní rekombinaci.
Před provedením elektroluminiscenčního experimentu byla provedena charakterizace zařízení podle odrazivosti bílého světla s úhlovým rozlišením k potvrzení silného spojení excitonů.
Obrázek č. 2
Na obrázku 2a jsou zobrazeny spektry odrazu s úhlovým rozlišením z aktivní oblasti zařízení, ukazující chování, které brání průniku. Také byla pozorována fotoluminiscence (FL) při nerezonančním vzrušení (460 nm), ukazující intenzivní emisi z dolní větve polaritonu a slabší emisi z horní větve polaritonu (2b).
Na 2c je znázorněna disperze elektroluminescence polaritonu při zavedení 0.1 µA/m². Rozštěpení Rabiho a ladění rezonátoru, získané pomocí přizpůsobení módů oscilátoru (plná a tečkovaná bílá čára) k elektroluminescenčnímu experimentu, činí přibližně 33 meV a -13 meV. Odchylka rezonátoru je určena jako δ = Ec − Ex, kde Ex je energie excitonu a Ec označuje energii fotonu rezonátoru s nulovým impulzem v rovině. Graf 2d toto je řez pod různými úhly od elektroluminescenční disperze. Zde je dobře vidět disperze horních a dolních polaritonových módů s anti-nehodou, která se vyskytuje v oblasti excitonového rezonance.
Obrázek č. 3
S rostoucím tunelovacím proudem celková intenzita EL roste. Slabá EL z polaritonů je pozorována blízko prahového posunu (3a), zatímco při dostatečně velkém posunu nad prahem se polaritonová emise stává významnou (3b).
Na obrázku 3s je znázorněn polární graf intenzity EL jako funkce úhlu, zobrazující úzký kužel emise ± 15°. Diagram vyzařování zůstává prakticky nezměněn jak pro minimální (zelená křivka), tak pro maximální (oranžová křivka) excitační proud. Na 3d je zobrazena integrovaná intenzita při různých pohyblivých tunelovacích proudech, která, jak je z grafu vidět, je dostatečně lineární. Zvyšování proudu na vysoké hodnoty může vést k úspěšnému rozptylu polaritonů podél dolního ramene a vytvořit extrémně úzký vyzařovací diagram kvůli generaci polaritonů. Nicméně v tomto experimentu nebylo možné toho dosáhnout kvůli omezením spojeným s dielektrickým prostupem tunelové bariéry hBN.
Červené body na 3d ukazují měření dalšího ukazatele — vnější kvantové účinnosti*.
Kvantová účinnost* — poměr počtu fotonů, jejichž absorpce vedla k vytváření kvazičástic, k celkovému počtu absorbovaných fotonů.
Pozorovaná kvantová účinnost je srovnatelná s ostatními polaritonovými diodami (na bázi organických materiálů, uhlíkových nanotrubiček atd.). Je však třeba poznamenat, že tloušťka emittující vrstvy ve zkoumaném zařízení činí pouze 0,7 nm, zatímco u jiných zařízení je tento údaj výrazně vyšší. Vědci nepřekrývají, že kvantová účinnost jejich zařízení není nejvyšší, ale lze ji zvýšit umístěním většího počtu monovrstv uvnitř tunelové zóny, oddělených tenkými vrstvami hBN.
Výzkumníci také prozkoumali vliv poruchy rezonátoru na EL polaritonu a vyrobili další zařízení s větší poruchou (- 43 meV).
Obrázek č. 4
Na obrázku 4a jsou zobrazeny spektra EL s úhlovým rozlišením tohoto zařízení při hustotě proudu 0,2 µA/cm². Vzhledem k silné poruše zařízení vykazuje výrazný efekt úzkého hrdla v EL s maximem emise, které nastává pod velkým úhlem. To je dále potvrzeno na obrázku 4b, kde jsou srovnávány polární grafy tohoto zařízení s prvním (2c).
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do .
Epilog
Tímto způsobem všechna výše popsaná pozorování a měření potvrzují přítomnost polaritonové elektroluminiscence ve vdW heterostruktuře zabudované v optickém mikrorezonátoru. Tunelová architektura zkoumaného zařízení zajišťuje vnikání elektronů/dírek a rekombinaci v monovrstvě WS2, která slouží jako emitér. Důležité je, že tunelový mechanismus zařízení nevyžaduje legování komponent, což minimalizuje ztráty a různá tepelná poškození.
Bylo zjištěno, že EL má vysokou směrovost díky disperzi rezonátoru. Tudíž zlepšení kvality rezonátoru a vyšší dodávka proudu umožní zvýšit efektivitu mikrorezonančních diod, jakož i elektricky řízených mikrorezonančních polaritonů a fotonových laserů.
Tento článek znovu potvrdil, že dichalkogenidy přechodných kovů mají opravdu jedinečné vlastnosti a velmi široké spektrum aplikací.
Podobné výzkumy a inovativní vynálezy mohou mít významný dopad na rozvoj a šíření technologií přenosu dat pomocí LED diod a světla jako takového. Mezi tyto futuristické technologie patří Li-Fi, který může zajistit výrazně vyšší rychlost než současné Wi-Fi.
Děkuji za pozornost, zůstávejte zvědaví a přeji všem dobrý pracovní týden, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
