Über viele Jahre hinweg haben Wissenschaftler aus der ganzen Welt sich mit zwei Dingen beschäftigt: Erfindungen und Verbesserung. Manchmal ist unklar, was davon schwieriger ist. Nehmen wir zum Beispiel die gewöhnlichen LEDs, die uns so einfach und alltäglich erscheinen, dass wir kaum darauf achten. Aber wenn man ihnen ein wenig Exzitonen, eine Prise Polaritone und nach Geschmack Wolframsulfid hinzufügt, verlieren die LEDs ihre Trivialität. All diese komplizierten Begriffe sind die Namen äußerst ungewöhnlicher Komponenten, deren Kombination es Wissenschaftlern des City College of New York ermöglicht hat, ein neues System zu entwickeln, das Informationen extrem schnell mittels Licht übertragen kann. Diese Entwicklung wird helfen, die Li-Fi-Technologie zu verbessern. Welche Zutaten der neuen Technologie verwendet wurden, wie das Rezept für dieses "Gericht" aussieht und wie effizient der neue Exziton-Polariton-LED ist, wird uns der Bericht der Wissenschaftler verraten. Los geht's.
Basis der Forschung
Wenn man es auf ein Wort reduzieren möchte, dann ist diese Technologie Licht und alles, was damit zusammenhängt. Erstens sind es die Polaritoine, die entstehen, wenn Photonen mit Anregungen des Mediums (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnonen usw.) interagieren. Zweitens sind Exzitonen elektronische Anregungen in Dielektrika, Halbleitern oder Metallen, die durch den Kristall wandern und nicht mit dem Transport von elektrischer Ladung und Masse verbunden sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Quasi-Teilchen sehr kalte Bedingungen bevorzugen, d.h. man kann ihre Aktivität nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachten, was die praktische Anwendung stark einschränkt. Aber das war einmal. In dieser Arbeit haben die Wissenschaftler das Temperaturschranken überwunden und konnten sie bei Raumtemperatur einsetzen.
Das Hauptmerkmal der Polaritoine ist die Fähigkeit, Photonen miteinander zu koppeln. Photonen, die mit Rubidiumatomen kollidieren, erhalten eine Masse. Durch wiederholte Kollisionen prallen die Photonen von einander ab, bilden aber in seltenen Fällen Paare und Triplets, wobei sie die atomare Komponente, repräsentiert durch ein Rubidiumatom, verlieren.
Aber um etwas mit Licht zu machen, muss man es einfangen. Dafür benötigt man einen optischen Resonator, der eine Ansammlung von reflektierenden Elementen darstellt, die eine stehende Lichtwelle formen.
In dieser Studie spielen noch ungewöhnlichere Quasiteilchen – Exziton-Polaritonien – eine entscheidende Rolle, die durch die starke Bindung von Exzitonen und Photonen entstehen, die in einem optischen Resonator eingefangen werden.
Das allein reicht jedoch nicht aus, denn es benötigt sozusagen eine materielle Grundlage. Und wer könnte diese Rolle besser spielen als Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMD)? Genauer gesagt wurde als emissionsfähiges Material eine Monoschicht WS2 (Wolframdisulfid) verwendet, das über beeindruckende Exziton-Bindungsenergien verfügt, was eines der Hauptkriterien für die Wahl der materiellen Grundlage war.
Die Kombination aller oben beschriebenen Elemente ermöglichte die Schaffung einer elektrisch gesteuerten Polariton-LED, die bei Raumtemperatur betrieben wird.
Für die Umsetzung dieses Geräts wurde die Monoschicht WS2 zwischen dünnen hexagonalen Tunnelbarrieren aus Bornitrid (hBN) platziert, wobei Graphen-Schichten als Elektroden dienen.
Ergebnisse der Studie
WS2, als Übergangsmetall-Dichalkogenid, ist auch ein atomar dünnes Van-der-Waals (vdW) Material. Dies zeugt von seinen einzigartigen elektrischen, optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.
In Kombination mit anderen vdW-Materialien, wie Graphen (als Leiter) und hexagonalem Bornitrid (hBN, als Isolator), können eine Vielzahl von elektrisch gesteuerten Halbleitergeräten realisiert werden, einschließlich LEDs. Solche Kombinationen von Van-der-Waals-Materialien und Polaritonen wurden bereits zuvor umgesetzt, wie die Forscher offen erklären. Allerdings waren die resultierenden Systeme in früheren Arbeiten komplex und unvollkommen und haben nicht das volle Potenzial jedes Einzelnen der Bestandteile offengelegt.
Eine der Ideen, die von Vorgängern inspiriert wurde, ist die Anwendung einer zweidimensionalen Materialplattform. In diesem Fall können Geräte mit atomar dünnen Emissionsschichten realisiert werden, die mit anderen vdW-Materialien integriert werden können, die als Kontakte (Graphen) und Tunnelbarrieren (hBN) fungieren. Darüber hinaus ermöglicht diese Zweidimensionalität die Kombination von Polariton-Leuchtdioden mit vdW-Materialien, die außergewöhnliche magnetische Eigenschaften, starke Supraleitung und/oder unkonventionelle topologische Transporte aufweisen. Dadurch kann ein völlig neuer Gerätetyp geschaffen werden, dessen Eigenschaften sehr ungewöhnlich sein können. Aber, wie Wissenschaftler sagen, das ist ein Thema für eine andere Studie.
Bild Nr. 1
In der Abbildung 1a es wird ein dreidimensionales Modell eines Gerätes gezeigt, das an einen Schichtkuchen erinnert. Als ober mirror des optischen Resonators dient eine Schicht Silber, und als unterer eine 12-schichtige verteilte Bragg-Reflektor*. Im aktiven Bereich befindet sich die Tunnelzone.
Verteilter Bragg-Reflektor* — eine Struktur aus mehreren Schichten, in der der Brechungsindex des Materials periodisch senkrecht zu den Schichten variiert.
Die Tunnelzone besteht aus einer vdW-Heterostruktur, die aus einer Monoschicht WS2 (Lichtquelle), dünnen Schichten hBN auf beiden Seiten der Monoschicht (Tunnelbarriere) und Graphen (durchsichtige Elektroden zur Einspeisung von Elektronen und Löchern) besteht.
Es wurden noch zwei Schichten WS2 hinzugefügt, um die gesamte Stärke des Generators zu erhöhen und somit eine ausgeprägtere Spaltung der Rabi-Polariton-Zustände zu erzielen.
Die Betriebsart des Resonators wird durch die Änderung der Dicke der PMMA-Schicht (Poly(methylmethacrylat), d.h. Plexiglas) eingestellt.
Das Bild 1b dies ist ein Bild der vdW-Heterostruktur auf der Oberfläche des verteilten Bragg-Reflektors. Aufgrund der hohen Reflexionsfähigkeit des verteilten Bragg-Reflektors, der die untere Schicht darstellt, hat die Tunnelzone auf dem Bild einen sehr niedrigen Reflexionskontrast, sodass nur die obere dicke Schicht hBN zu sehen ist.
Das Diagramm 1c stellt das vdW-Diagramm der Heterostruktur in der Tunnelgeometrie bei Verschiebung dar. Elektrolumineszenz (EL) wird oberhalb der Durchbruchspannung beobachtet, wenn das Fermi-Niveau des oberen (unteren) Graphens über (unter) dem Leitungsband (Valenzband) von WS2 verschoben ist, was es dem Elektron (Loch) ermöglicht, in das Leitungsband (Valenzband) von WS2 zu tunneln. Dies schafft günstige Bedingungen für die Bildung von Exzitonen in der WS2-Schicht mit anschließender radiativer (strahlender) Rekombination von Elektron-Loch.
Im Gegensatz zu den auf p-n-Übergängen basierenden Lichtquellen, die eine Dotierung benötigen, hängt EL von Tunnelgeräten ausschließlich vom Tunnelstrom ab, was es ermöglicht, optische Verluste und Änderungen des spezifischen Widerstands, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, zu vermeiden. Gleichzeitig ermöglicht die Tunnelarchitektur einen viel größeren Bereich der Emission im Vergleich zu p-n-übergangsbasierenden Dichalcogenid-Geräten.
Das Bild 1d zeigt die elektrischen Eigenschaften der Tunnelstromdichte (J) als Funktion der Verschiebungsspannung (V) zwischen den Graphenelektroden. Der steile Anstieg des Stroms sowohl bei positiver als auch bei negativer Spannung weist auf das Auftreten eines Tunnelstroms durch die Struktur hin. Bei optimaler Schichtdicke von hBN (~2 nm) wird ein erheblicher Tunnelstrom und eine Verlängerung der Lebensdauer der eindimensionalen Ladungsträger für die strahlende Rekombination beobachtet.
Vor der Durchführung des elektrolumineszenten Experiments wurde die Charakterisierung des Geräts hinsichtlich der Reflexionsfähigkeit von weißem Licht mit Winkelauflösung durchgeführt, um das Vorhandensein einer starken Bindung von Exzitonen zu bestätigen.
Abbildung Nr. 2
In der Abbildung 2a zeigen die Reflexionsspektren mit Winkelauflösung aus dem aktiven Bereich des Geräts, die ein Verhalten zeigen, das ein Überschreiten verhindert. Es wurde auch Photolumineszenz (PL) bei nichtresonanter Anregung (460 nm) beobachtet, die eine intensive Emission aus dem unteren Zweig des Polaritons und schwächere Emission aus dem oberen Zweig des Polaritons zeigt (2b).
Auf 2s Die Dispersion der Elektrolumineszenz des Polaritons wird bei der Implementierung von 0,1 μA/mk2 gezeigt. Die Rabi-Spaltung und die Störung des Resonators, die durch das Anpassen der Modes des Oszillators (durchgezogene und gestrichelte weiße Linie) an das elektrolumineszenzexperiment erhalten wurden, betragen ～33 meV bzw. ～-13 meV. Die Störung des Resonators wird als δ = Ec − Ex definiert, wobei Ex die Energie des Exzitons und Ec die Energie eines Photons des Resonators mit null Impuls in der Ebene bezeichnet. Grafik 2d ist ein Schnitt unter verschiedenen Winkeln von der elektrolumineszenten Dispersion. Hier ist die Dispersion der oberen und unteren Polaritonmoden mit der Antikreuzung, die in der Exzitonresonanzzone stattfindet, gut sichtbar.
Bild Nr. 3
Mit steigender Tunnelstromstärke erhöht sich die gesamte Intensität der EL. Die schwache EL der Polaritonen ist in der Nähe der Schwellenverschiebung zu beobachten (3a), während bei ausreichend großer Verschiebung über der Schwelle die Polaritonemission deutlich wird (3b).
In der Abbildung 3s zeigt ein polares Diagramm der EL-Intensität als Funktion des Winkels, das einen schmalen Emissionskegel von ± 15° darstellt. Das Strahlungsdiagramm bleibt sowohl für den minimalen (grüne Kurve) als auch für den maximalen (orange Kurve) Anregungsstrom praktisch unverändert. An 3d wird die integrierte Intensität bei verschiedenen beweglichen Tunnelströmen gezeigt, die, wie aus dem Diagramm ersichtlich, ausreichend linear ist. Daher kann eine Erhöhung des Stroms auf hohe Werte zu einer erfolgreichen Streuung der Polaritonen entlang des unteren Zweigs führen und ein äußerst schmaler Strahlungsdiagramm aufgrund der Polaritongenerierung erzeugt werden. In diesem Experiment war es jedoch nicht möglich, dies aufgrund der Einschränkung, die mit dem dielektrischen Durchbruch der Tunnelbarriere hBN verbunden ist, zu erreichen.
Die roten Punkte auf 3d zeigen Messungen eines weiteren Indikators – der externen Quanten-Effizienz*.
Quanten-Effizienz* ist das Verhältnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption zur Bildung von Quasiteilchen geführt hat, zur Gesamtzahl der absorbierten Photonen.
Die beobachtete quantenmechanische Effizienz ist mit der anderer Polariton-LEDs (auf Basis organischer Materialien, Kohlenstoffnanoröhren usw.) vergleichbar. Dabei ist zu beachten, dass die Dicke der lichtemittierenden Schicht im untersuchten Gerät nur 0,7 nm beträgt, während dieser Wert bei anderen Geräten deutlich höher ist. Die Wissenschaftler geben offen zu, dass der Wert der quantenmechanischen Effizienz ihres Geräts nicht der höchste ist, aber dieser kann durch die Platzierung einer größeren Anzahl von Monoschichten innerhalb der Tunnelzone, die durch dünne Schichten aus hBN getrennt sind, erhöht werden.
Die Forscher überprüften auch den Einfluss der Störung des Resonators auf den EL-Polariton, indem sie ein weiteres Gerät mit stärkerer Störung (-43 meV) herstellten.
Abbildung Nr. 4
In der Abbildung 4a Es werden die spektralen Eigenschaften des EL mit winkelabhängiger Auflösung eines solchen Geräts bei einer Stromdichte von 0,2 µA/mk² gezeigt. Aufgrund der starken Störung zeigt das Gerät einen deutlich ausgeprägten Flaschenhals-Effekt im EL, mit einem Emissionsmaximum, das bei einem großen Winkel auftritt. Dies wird zusätzlich im Bild bestätigt 4b, wo die polaren Diagramme dieses Geräts mit dem ersten verglichen werden (2s).
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den .
Epilog
Somit bestätigen alle oben beschriebenen Beobachtungen und Messungen das Vorhandensein von polaritonischer Elektrolumineszenz in der vdW-Heterostruktur, die in den optischen Mikroresonator integriert ist. Die Tunnelarchitektur des untersuchten Geräts ermöglicht das Einbringen von Elektronen/Löchern und die Rekombination im Monolayer WS2, der als Lichtemitter dient. Wichtig ist, dass der Tunnelmechanismus des Geräts keine Legierung der Komponenten erfordert, was Verluste und verschiedene temperaturbedingte Veränderungen auf ein Minimum reduziert.
Es wurde festgestellt, dass der EL eine hohe Direktionalität aufgrund der Dispersion des Resonators hat. Daher wird die Verbesserung der Güte des Resonators und eine höhere Stromzufuhr die Effizienz von Mikroresonator-LEDs sowie elektrisch gesteuerten Mikroresonator-Polariten und Photonlasern erhöhen.
Diese Arbeit hat erneut bestätigt, dass die Dichalkogenide der Übergangsmetalle tatsächlich einzigartige Eigenschaften und ein sehr breites Anwendungsspektrum besitzen.
Ähnliche Forschungen und innovative Erfindungen können die Entwicklung und Verbreitung von Datenübertragungstechnologien über LED und Licht als solches erheblich beeinflussen. Zu diesen futuristischen Technologien gehört Li-Fi, das eine deutlich höhere Geschwindigkeit bieten kann als das derzeit verfügbare Wi-Fi.
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Quelle: habr.com
