I mange år har forskere fra hele verden arbejdet med to ting - at opfinde og forbedre. Og nogle gange er det uklart, hvad der er sværest. Tag for eksempel almindelige lysdioder, som forekommer så enkle og hverdagsagtige, at vi ikke engang bemærker dem. Men hvis man tilsætter lidt eksitoner, en knivspids polaritoner og lidt wolframdisulfid efter smag, vil lysdioderne ikke længere være så prozaiske. Alle disse indviklede termer er navne på usædvanlige komponenter, hvis kombination har gjort det muligt for forskere fra City College of New York at skabe et nyt system, der kan overføre information ekstremt hurtigt ved hjælp af lys. Denne udvikling vil forbedre Li-Fi teknologien. Hvilke ingredienser fra den nye teknologi blev brugt, hvad er opskriften på denne "ret" og hvor effektivt fungerer den nye eksiton-polariton lysdiode? Det vil forskerne fortælle os. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Hvis man forenkler det til et ord, er denne teknologi lys og alt, hvad der relaterer sig til det. For det første polaritoner, som opstår ved interaktion mellem fotoner og excitationer i mediet (fonoer, eksitoner, plasmoner, magnoner osv.). For det andet er eksitoner elektroniske excitationer i dielektriske, halvledende eller metalliske materialer, der migrerer gennem krystallen og ikke er forbundet med transport af elektrisk ladning og masse.
Det er vigtigt at bemærke, at disse kvasi-partikler elsker kulde, dvs. man kan kun observere deres aktivitet ved ekstremt lave temperaturer, hvilket kraftigt begrænser den praktiske anvendelse. Men det var før. I dette arbejde har forskerne formået at overvinde den temperaturmæssige begrænsning og anvende dem ved stuetemperatur.
Den primære egenskab ved polaritoner er muligheden for at binde fotoner sammen. Fotoner, der kolliderer med rubidiumatomer, får masse. Gennem en proces med gentagne kollisioner springer fotoner væk fra hinanden, men i sjældne tilfælde danner de par og tripletter, mens de mister den atomære komponent, som repræsenteres af rubidiumatomet.
Men for at gøre noget med lys, skal det fanges. Til dette er en optisk resonator nødvendig, som er en samling af reflekterende elementer, der danner en stående lysbølge.
I denne undersøgelse spiller endnu mere usædvanlige kvasi-partikler en vigtig rolle — exciton-polaritoner, der dannes takket være den stærke forbindelse mellem excitoner og fotoner, der er fanget i en optisk resonator.
Dette er dog ikke tilstrækkeligt, da der kræves en materiel basis, så at sige. Og hvem bedre end transition metal dichalcogenider (TMD) vil kunne spille denne rolle. Mere præcist blev et monolag af WS2 (wolframdisulfid) anvendt som det udstrålende materiale, hvilket har imponerende binding energier for excitoner, der blev en af de grundlæggende kriterier for valget af den materielle basis.
Kombinationen af alle de ovenfor beskrevne elementer har gjort det muligt at skabe en elektrisk styret polariton lysdiode, der fungerer ved stuetemperatur.
Til realiseringen af denne enhed er monolaget WS2 placeret mellem tynde hexagonale tunnelbarrierer lavet af bor-nitrid (hBN) med grafenlag, der fungerer som elektroder.
Resultaterne af undersøgelsen
WS2, som et transition metal dichalcogenid, er også et atomart tyndt Van-der-Waals (vdW) materiale. Dette indikerer dets unikke elektriske, optiske, mekaniske og termiske egenskaber.
I kombination med andre vdW-materialer som grafen (som leder) og hexagonal bor-nitrid (hBN, som isolator) kan et væld af elektrisk styrede halvlederanordninger realiseres, herunder lysdioder. Sådanne kombinationer af Van-der-Waals materialer og polaritoner er tidligere blevet realiseret, som forskerne åbent erklærer. Men i tidligere værker var de opnåede systemer komplekse og ufuldkomne, og de afslørede heller ikke det fulde potentiale af hver af komponenterne.
En af de ideer, der blev inspireret af forgængerne, var anvendelsen af en to-dimensionel materialplatform. I så fald er det muligt at realisere enheder med atomart tynde emissionslag, der kan integreres med andre vdW-materialer, der fungerer som kontakter (grafen) og tunnelbarrierer (hBN). Desuden muliggør en sådan to-dimensionalitet sammenkoblingen af polariton-LED'er med vdW-materialer, der har usædvanlige magnetiske egenskaber, høj superledningsevne og/eller atypiske topologiske transportegenskaber. Som resultat af denne sammenkobling kan der opstå en helt ny type enhed, hvis egenskaber kan være meget usædvanlige. Men som forskerne siger, er det emnet for en anden undersøgelse.
Billede nr. 1
På billedet 1a vises en 3D-model af enheden, der minder om en lagkage. Som det øverste spejl i det optiske resonator fungerer et lag af sølv, og som det nederste - en 12-lags distribueret Bragg-reflektor*. I det aktive område er der en tunnelzone.
Den distribuerede Bragg-reflektor* er en struktur bestående af flere lag, hvor brydningsindekset for materialet periodisk ændres vinkelret på lagene.
Tunnelzonen består af en vdW heterostruktur, der består af et monolag WS2 (lyskilde), tynde lag hBN på begge sider af monolaget (tunnelbarriere) og grafen (gennemsigtige elektroder til indsprøjtning af elektroner og huller).
To lag WS2 blev tilføjet for at øge den samlede styrke af generatoren og dermed til at fremhæve splittelsen af Rabi-polariton-tilstande.
Resonatorens driftsmode justeres ved at ændre tykkelsen på PMMA-laget (polymethylmethacrylate, dvs. akrylglas).
Billedet 1b det er et billede af vdW heterostrukturen på overfladen af den distribuerede Bragg-reflektor. På grund af den høje refleksionskapacitet af den distribuerede Bragg-reflektor, som er det nederste lag, har tunnelzonen på billedet en meget lav refleksionskontrast, hvilket resulterer i, at kun det øverste tykke lag hBN kan ses.
Grafik 1C viser en vdW heterostruktur zonediagram i tunneling geometri ved forskydning. Elektroluminescens (EL) observeres over tærskel spænding, når Fermi-niveauet i det øverste (nederste) grafen er forskudt opad (nedad) over (under) ledningsbåndet (valensbåndet) i WS2, hvilket tillader en elektron (hul) at tunnelerer ind i ledningsbåndet (valensbåndet) i WS2. Dette skaber gunstige forhold for dannelsen af excitoner i WS2-laget med efterfølgende radiativ (udsendende) rekombination af elektron-hul.
I modsætning til lysudsendere baseret på p-n-overgange, som kræver doping, er EL fra tunnelenheder udelukkende afhængig af tunnelstrømmen, hvilket gør det muligt at undgå optiske tab og ændringer i specifikt modstand forårsaget af temperaturforandringer. Samtidig tillader tunnelenheden en meget større emissionsområde sammenlignet med dichalcogenid-enheder baseret på p-n-overgange.
Billedet 1d demonstrerer de elektriske karakteristika for tunnelstrømningsdensitet (J) som funktion af spændingsforskydning (V) mellem grafenelektroderne. Et pludseligt stigning i strømmen for både positiv og negativ spænding indikerer opståen af tunnelstrøm gennem strukturen. Ved optimal tykkelse af hBN-lagene (~2 nm) observeres en betydelig tunnelstrøm og en stigning i livstiden for indførte bærere til udsendende rekombination.
Før elektroluminescens eksperimentet blev en karakterisering af apparatet udført med refleksionskapacitet af hvidt lys med vinkelopløsning for at bekræfte tilstedeværelsen af stærk tilknytning af excitoner.
Billede Nr. 2
På billedet 2a vises refleksionsspektrene med vinkelopløsning fra den aktive del af enheden, der viser adfærd, som forhindrer krydsning. Der blev også observeret fotoluminescens (FL) ved ikke-resonant excitation (460 nm), der viser intens emission fra den nedre gren af polaritonen og svagere emission fra den øverste gren af polaritonen (2b).
På 2c dispersions af elektroluminescens af polaritonen, når 0,1 μA/mk㎡ anvendes. Splittningen af Rabi og resonatorens forstyrrelse, opnået ved at tilpasse mode af oscillatoren (den solide og den stipplede hvide linje) til det elektroluminescente eksperiment, er henholdsvis ～33 meV og ～-13 meV. Resonatorens forstyrrelse defineres som δ = Ec − Ex, hvor Ex er excitonenergien, og Ec betegner energien af fotonen i resonatoren med nul impuls i planet. Grafen 2d er et skive udsnit fra den elektroluminescente dispersion under forskellige vinkler. Her kan man tydeligt se dispersionen af de øverste og nederste polariton modes med antipunkt, der opstår i excitonresonansområdet.
Billede nr. 3
Som tunneleringsstrømmen øges, stiger den samlede intensitet af EL. Svag EL fra polaritoner observeres nær tærskel forskydningen (3a), mens polaritonemissionen bliver tydelig ved tilstrækkelig høj forskydning over tærsklen (3b).
På billedet 3c vises den polære graf af EL-intensiteten som en funktion af vinklen, der viser en smal emissionskegle på ± 15°. Strålediagrammet forbliver næsten uændret for både minimal (den grønne kurve) og maksimal (den orange kurve) eksitationsstrøm. På 3d vises den integrerede intensitet ved forskellige bevægelige tunneltusser, hvilket fremgår af grafen, at den er temmelig lineær. Derfor kan en stigning i strømmen til høje værdier føre til vellykket spredning af polaritoner langs den nederste gren og skabe et ekstremt smalt strålediagram på grund af genereringen af polaritoner. Imidlertid var det i dette eksperiment ikke muligt at opnå dette på grund af begrænsningen ved den dielektriske gennemslag af tunnelbarrieren hBN.
De røde punkter på 3d viser målingerne af en anden parameter — den eksterne kvanteeffektivitet*.
Kvanteeffektivitet* — forholdet mellem antallet af fotoner, hvis absorption har forårsaget dannelsen af kvasipartikler, til det samlede antal absorberede fotoner.
Den observerede kvanteeffektivitet er sammenlignelig med den i andre polariton-lysdioder (baseret på organiske materialer, carbonrør osv.). Det skal dog bemærkes, at tykkelsen af det lysudsendende lag i den undersøgte anordning kun er 0,7 nm, mens denne værdi er betydeligt højere for andre enheder. Forskere skjuler ikke, at kvanteeffektiviteten af deres enhed ikke er den højeste, men den kan forbedres ved at placere flere monolag i tunnellzonen, adskilt af tynde lag af hBN.
Forskere har også undersøgt indflydelsen af resonatorens forstyrrelse på EL polaritonen ved at fremstille en anden enhed med en stærkere forstyrrelse (-43 meV).
Image No. 4
På billedet 4a viser EL-spektrer med vinkelopløsning af en sådan enhed ved en strømstyrke på 0,2 μA/mk2. På grund af den store forstyrrelse viser enheden en tydelig flaskehalseffekt i EL med et emissionsmaksimum, der opstår under en stor vinkel. Dette understøttes yderligere af billedet 4b, hvor de polare diagrammer for denne enhed sammenlignes med den første (2c).
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i .
Epilog
Således bekræfter alle ovenstående observationer og målinger tilstedeværelsen af polariton elektroluminescens i vdW heterostrukturen indlejret i den optiske mikroreronator. Den tunnelarkitektur, der anvendes i den undersøgte enhed, tillader indførsel af elektroner/huller og rekombination i monolaget WS2, som fungerer som lysudsender. Det er vigtigt, at enhedens tunnelfunktion ikke kræver doping af komponenterne, hvilket minimerer tab og forskellige ændringer relateret til temperatur.
Det er fastslået, at EL har en høj retningsevne takket være resonatorens dispersion. Derfor vil forbedringen af resonatorens kvalitet og en højere strømtilførsel øge effektiviteten af mikroreronatorlysdiode samt elektrisk styrede mikroreronatorpolariton og fotonlaser.
Dette arbejde har endnu engang bekræftet, at dicalcogeniderne af overgangsmetaller har virkelig unikke egenskaber og et meget bredt anvendelsesområde.
Sådanne undersøgelser og innovative opfindelser kan have en stor indflydelse på udviklingen og udbredelsen af datatransmissionsteknologier ved hjælp af lysdioder og lys generelt. En af disse futuristiske teknologier er Li-Fi, som kan levere betydeligt højere hastigheder end det nuværende Wi-Fi.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige og hav en god arbejdsuge, alle sammen! 🙂
Tak fordi du er med os. Kan du lide vores artikler? Vil du se flere interessante materialer? Støt os ved at lave en bestilling eller anbefale os til dine bekendte. 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
