I mange år har forskere fra hele verden gjort to ting - at opfinde og forbedre. Og nogle gange er det ikke klart, hvad der er sværere. Tag for eksempel almindelige lysdioder, som virker så enkle og almindelige for os, at vi ikke engang lægger mærke til dem. Men hvis du tilføjer et par excitoner, en knivspids polaritoner og wolframdisulfid efter smag, vil LED'er ikke længere være så prosaiske. Alle disse abstrude udtryk er navnene på ekstremt usædvanlige komponenter, hvis kombination gjorde det muligt for forskere fra City College i New York at skabe et nyt system, der er i stand til at transmittere information ekstremt hurtigt ved hjælp af lys. Denne udvikling vil hjælpe med at forbedre Li-Fi-teknologien. Hvilke nøjagtige ingredienser i den nye teknologi blev brugt, hvad er opskriften på denne "skål", og hvad er driftseffektiviteten af den nye exciton-polariton LED? Forskerrapporten vil fortælle os om dette. Gå.
Forskningsgrundlag
Hvis vi forenkler alt ned til et ord, så er denne teknologi let og alt forbundet med det. For det første polaritoner, som opstår, når fotoner interagerer med excitationer af mediet (fononer, excitoner, plasmoner, magnoner osv.). For det andet er excitoner elektroniske excitationer i et dielektrikum, halvleder eller metal, der migrerer gennem krystallen og ikke er forbundet med overførsel af elektrisk ladning og masse.
Det er vigtigt at bemærke, at disse kvasipartikler elsker kulde meget, dvs. Deres aktivitet kan kun observeres ved ekstremt lave temperaturer, hvilket i høj grad begrænser deres praktiske anvendelse. Men det var før. I dette arbejde var forskerne i stand til at overvinde temperaturbegrænsningen og bruge dem ved stuetemperatur.
Hovedtræk ved polaritoner er evnen til at binde fotoner med hinanden. Fotoner, der kolliderer med rubidiumatomer, får masse. I processen med gentagne kollisioner preller fotonerne af hinanden, men i sjældne tilfælde danner de par og tripletter, mens de mister den atomare komponent repræsenteret af rubidiumatomet.
Men for at gøre noget med lys, skal du fange det. Til dette kræves en optisk resonator, som er et sæt reflekterende elementer, der danner en stående lysbølge.
I denne undersøgelse spilles den vigtigste rolle af endnu mere usædvanlige kvasipartikler - exciton-polaritoner, som dannes på grund af den stærke kobling af excitoner og fotoner fanget i et optisk hulrum.
Det er dog ikke nok, for der skal så at sige et materielt grundlag til. Og hvem er bedre end transition metal dichalcogenide (TMD) vil spille denne rolle? Mere præcist blev et WS2 (wolframdisulfid) monolag brugt som emitterende materiale, som har imponerende excitonbindingsenergier, hvilket blev et af hovedkriterierne for valg af materialebase.
Kombinationen af alle de ovenfor beskrevne elementer gjorde det muligt at skabe en elektrisk styret polariton-LED, der fungerer ved stuetemperatur.
For at realisere denne enhed er et monolag af WS2 klemt mellem tynde hexagonale bornitrid (hBN) tunnelbarrierer med grafenlag, der fungerer som elektroder.
Forskningsresultater
WS2, der er et overgangsmetal dichalcogenid, er også et atomisk tyndt van der Waals (vdW) materiale. Dette taler om dets unikke elektriske, optiske, mekaniske og termiske egenskaber.
I kombination med andre vdW-materialer, såsom grafen (som en leder) og hexagonalt bornitrid (hBN, som en isolator), kan en lang række elektrisk styrede halvlederenheder, som inkluderer LED'er, realiseres. Lignende kombinationer af van der Waals-materialer og polaritoner er allerede blevet realiseret før, som forskerne åbent siger. Men i tidligere værker var de resulterende systemer komplekse og uperfekte og afslørede ikke det fulde potentiale af hver komponent.
En af de ideer, der var inspireret af forgængere, var brugen af en todimensionel materialeplatform. I dette tilfælde er det muligt at realisere enheder med atomisk tynde emissive lag, som kan integreres med andre vdW-materialer, der fungerer som kontakter (grafen) og tunnelbarrierer (hBN). Derudover gør en sådan todimensionalitet det muligt at kombinere polariton-LED'er med vdW-materialer, der har usædvanlige magnetiske egenskaber, stærk superledning og/eller ikke-standard topologiske overførsler. Som et resultat af en sådan kombination kan en helt ny type enhed opnås, hvis egenskaber kan være ret usædvanlige. Men, som videnskabsmænd siger, er dette et emne for en anden undersøgelse.
Billede #1
På billedet 1a viser en tredimensionel model af en enhed, der ligner en lagkage. Det øverste spejl af den optiske resonator er et lag af sølv, og det nederste spejl er et 12-lags fordelt Bragg reflektor*. Det aktive område indeholder en tunnelzone.
Fordelt Bragg-reflektor* - en struktur af flere lag, hvor materialets brydningsindeks periodisk ændres vinkelret på lagene.
Tunnelzonen består af en vdW-heterostruktur bestående af et WS2-monolag (lysemitter), tynde lag af hBN på begge sider af monolaget (tunnelbarriere) og grafen (gennemsigtige elektroder til indføring af elektroner og huller).
Yderligere to lag af WS2 blev tilføjet for at øge den samlede styrke af oscillatoren og dermed for at producere mere udtalt Rabi-spaltning af polaritontilstandene.
Resonatorens driftstilstand justeres ved at ændre tykkelsen af PMMA-laget (polymethylmethacrylat, dvs. plexiglas).
Изображение 1b Dette er et øjebliksbillede af en vdW-heterostruktur på overfladen af en distribueret Bragg-reflektor. På grund af den høje reflektionsevne af den distribuerede Bragg-reflektor, som er det nederste lag, har tunnelzonen i billedet en meget lav reflektanskontrast, hvilket resulterer i, at kun det øverste tykke hBN-lag observeres.
Planlæg 1 с er vdW-zonediagrammet over heterostrukturen i tunnelgeometrien under forskydning. Elektroluminescens (EL) observeres over tærskelspændingen, når Fermi-niveauet af den øverste (nederste) grafen forskydes over (under) lednings- (valens)båndet for WS2, hvilket tillader en elektron (hul) at tunnelere ind i ledningen (valens) bånd af WS2. Dette skaber gunstige betingelser for dannelsen af excitoner i WS2-laget med efterfølgende radiativ (strålende) elektron-hul-rekombination.
I modsætning til pn-junction-lysemittere, som kræver doping for at fungere, afhænger EL fra tunnelanordninger udelukkende af tunnelstrømmen, hvilket undgår optiske tab og eventuelle ændringer i resistivitet forårsaget af temperaturændringer. Samtidig giver tunnelarkitekturen mulighed for et meget større emissionsområde sammenlignet med dichalcogenid-enheder baseret på pn-kryds.
Изображение 1d demonstrerer de elektriske karakteristika af tunnelstrømtætheden (J) som funktion af forspænding (V) mellem grafenelektroder. En kraftig stigning i strømmen for både positive og negative spændinger indikerer forekomsten af tunnelstrøm gennem strukturen. Ved den optimale tykkelse af hBN-lag (~2 nm) observeres en betydelig tunnelstrøm og en stigning i levetiden af indlejrede bærere til strålingsrekombination.
Inden udførelse af elektroluminescenseksperimentet blev enheden karakteriseret ved vinkelopløst hvid lysreflektans for at bekræfte tilstedeværelsen af stærk excitonisk kobling.
Billede #2
På billedet 2a Vinkelopløste reflektansspektre fra det aktive område af enheden er vist, hvilket viser anti-krydsningsadfærd. Fotoluminescens (PL) blev også observeret under ikke-resonant excitation (460 nm), hvilket viste intens emission fra den nedre polaritongren og svagere emission fra den øvre polaritongren (2b).
On 2 с viser spredningen af polaritonelektroluminescens ved en injektionshastighed på 0.1 μA/μm2. Rabi-opdelingen og hulrumsafstemningen opnået ved at tilpasse oscillatortilstandene (heltrukken og stiplet hvid linje) til EL-eksperimentet er henholdsvis ～33 meV og ～-13 meV. Kavitetsafstemningen er defineret som δ = Ec − Ex, hvor Ex er excitonenergien og Ec angiver kavitetsfotonenergien med nulmomentum i planet. Tidsplan 2d Dette er et snit i forskellige vinkler fra den elektroluminescerende dispersion. Her er spredningen af de øvre og nedre polaritontilstande med antikrydsning, der forekommer i excitonresonanszonen, tydeligt synlig.
Billede #3
Når tunnelstrømmen stiger, stiger den samlede EL-intensitet. Svag EL fra polaritoner observeres nær tærskelforskydningen (3a), mens ved en tilstrækkelig stor forskydning over tærsklen, bliver polaritonemission tydelig (3b).
På billedet 3 с viser et polært plot af EL-intensitet som funktion af vinkel, der viser en smal emissionskegle på ±15°. Strålingsmønsteret forbliver stort set uændret for både den minimale (grøn kurve) og maksimale (orange kurve) excitationsstrøm. På 3d viser den integrerede intensitet for forskellige bevægelige tunnelstrømme, som, som det kan ses af grafen, er ret lineær. Derfor kan en forøgelse af strømmen til høje værdier føre til vellykket spredning af polaritoner langs den nedre gren og skabe et ekstremt smalt emissionsmønster på grund af polaritongenerering. Men i dette eksperiment var det ikke muligt at opnå dette på grund af begrænsningen forbundet med det dielektriske nedbrud af hBN-tunnelbarrieren.
Røde prikker på 3d vis målinger af en anden indikator - ekstern kvanteeffektivitet*.
Kvanteeffektivitet* — forholdet mellem antallet af fotoner, hvis absorption forårsagede dannelsen af kvasipartikler, og det samlede antal absorberede fotoner.
Den observerede kvanteeffektivitet er sammenlignelig med den i andre polariton-LED'er (baseret på organiske materialer, kulstofrør osv.). Det er værd at bemærke, at i den undersøgte enhed er tykkelsen af det lysemitterende lag kun 0.7 nm, mens denne værdi i andre enheder er meget højere. Forskere skjuler ikke det faktum, at deres enheds kvanteeffektivitet ikke er den højeste, men den kan øges ved at placere et større antal monolag inde i tunnelzonen, adskilt af tynde lag af hBN.
Forskerne testede også effekten af resonatorafstemning på polariton EL ved at lave en anden enhed, men med en stærkere afstemning (-43 meV).
Billede #4
På billedet 4a EL-spektre med vinkelopløsning af en sådan enhed er vist ved en strømtæthed på 0.2 μA/μm2. På grund af den stærke afstemning udviser apparatet en udtalt flaskehalseffekt i EL, hvor emissionsmaksimum forekommer i en stor vinkel. Dette bekræftes yderligere på billedet 4b, hvor de polære grafer for denne enhed sammenlignes med den første (2 с).
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på .
Epilog
Således bekræfter alle de ovenfor beskrevne observationer og målinger tilstedeværelsen af polaritonelektroluminescens i en vdW-heterostruktur indbygget i et optisk mikrohulrum. Tunnelarkitekturen af den enhed, der undersøges, sikrer introduktionen af elektroner/huller og rekombination i WS2-monolaget, der tjener som lysemitter. Det er vigtigt, at enhedens tunnelmekanisme ikke kræver legering af komponenter, hvilket minimerer tab og forskellige temperaturrelaterede ændringer.
Det blev konstateret, at EL har en høj retningsbestemmelse på grund af spredningen af resonatoren. Derfor vil forbedring af kavitetskvalitetsfaktoren og højere strømforsyning forbedre effektiviteten af mikrohulrums-LED'er såvel som elektrisk styrede mikrohulrumspolaritoner og fotoniske lasere.
Dette arbejde bekræftede endnu en gang, at overgangsmetal dichalcogenider har virkelig unikke egenskaber og en meget bred vifte af anvendelser.
Sådan forskning og innovative opfindelser kan i høj grad påvirke udviklingen og spredningen af datatransmissionsteknologier ved hjælp af LED'er og selve lyset. Sådanne futuristiske teknologier inkluderer Li-Fi, som kan give betydeligt højere hastigheder end det nuværende Wi-Fi.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com