Seit vielen Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler aus aller Welt mit zwei Dingen: Erfinden und Verbessern. Und manchmal ist nicht klar, was schwieriger ist. Nehmen wir zum Beispiel gewöhnliche LEDs, die uns so einfach und gewöhnlich erscheinen, dass wir ihnen nicht einmal Beachtung schenken. Aber wenn man noch ein paar Exzitonen, eine Prise Polaritonen und nach Geschmack Wolframdisulfid hinzufügt, sind LEDs nicht mehr so prosaisch. All diese abstrusen Begriffe sind die Namen äußerst ungewöhnlicher Komponenten, deren Kombination es Wissenschaftlern des City College of New York ermöglichte, ein neues System zu entwickeln, das in der Lage ist, Informationen mithilfe von Licht extrem schnell zu übertragen. Diese Entwicklung wird dazu beitragen, die Li-Fi-Technologie zu verbessern. Welche genauen Zutaten der neuen Technologie wurden verwendet, wie lautet das Rezept für dieses „Gericht“ und wie hoch ist die Betriebseffizienz der neuen Exciton-Polariton-LED? Der Bericht der Wissenschaftler wird uns darüber informieren. Gehen.
Forschungsgrundlage
Wenn wir alles auf ein Wort reduzieren, dann ist diese Technologie leicht und alles, was damit zusammenhängt. Erstens Polaritonen, die entstehen, wenn Photonen mit Anregungen des Mediums (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnonen usw.) interagieren. Zweitens sind Exzitonen elektronische Anregungen in einem Dielektrikum, Halbleiter oder Metall, die durch den Kristall wandern und nicht mit der Übertragung elektrischer Ladung und Masse verbunden sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Quasiteilchen Kälte sehr lieben, d.h. Ihre Aktivität lässt sich nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachten, was ihre praktische Anwendung stark einschränkt. Aber das war vorher. In dieser Arbeit gelang es den Wissenschaftlern, die Temperaturbegrenzung zu überwinden und sie bei Raumtemperaturen zu verwenden.
Das Hauptmerkmal von Polaritonen ist die Fähigkeit, Photonen miteinander zu binden. Photonen, die mit Rubidiumatomen kollidieren, gewinnen an Masse. Bei wiederholten Kollisionen prallen die Photonen voneinander ab, in seltenen Fällen bilden sie jedoch Paare und Tripletts und verlieren dabei die atomare Komponente, die durch das Rubidiumatom repräsentiert wird.
Aber um etwas mit Licht zu machen, muss man es einfangen. Hierzu wird ein optischer Resonator benötigt, bei dem es sich um eine Reihe reflektierender Elemente handelt, die eine stehende Lichtwelle bilden.
In dieser Studie spielen noch ungewöhnlichere Quasiteilchen die wichtigste Rolle – Exziton-Polaritonen, die durch die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen entstehen, die in einem optischen Hohlraum gefangen sind.
Dies reicht jedoch nicht aus, denn es bedarf sozusagen einer materiellen Grundlage. Und wer könnte diese Rolle besser spielen als das Übergangsmetalldichalkogenid (TMD)? Genauer gesagt wurde als emittierendes Material eine WS2-Monoschicht (Wolframdisulfid) verwendet, die über beeindruckende Exzitonenbindungsenergien verfügt, was zu einem der Hauptkriterien für die Auswahl der Materialbasis wurde.
Die Kombination aller oben beschriebenen Elemente ermöglichte die Schaffung einer elektrisch gesteuerten Polariton-LED, die bei Raumtemperatur arbeitet.
Um dieses Gerät zu realisieren, wird eine Monoschicht aus WS2 zwischen dünnen Tunnelbarrieren aus hexagonalem Bornitrid (hBN) eingelegt, wobei Graphenschichten als Elektroden fungieren.
Ergebnisse der Studie
WS2 ist als Übergangsmetalldichalkogenid auch ein atomar dünnes Van-der-Waals-Material (vdW). Dies spricht für seine einzigartigen elektrischen, optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.
In Kombination mit anderen vdW-Materialien wie Graphen (als Leiter) und hexagonalem Bornitrid (hBN, als Isolator) lassen sich zahlreiche elektrisch gesteuerte Halbleiterbauelemente, darunter auch LEDs, realisieren. Ähnliche Kombinationen von Van-der-Waals-Materialien und Polaritonen wurden bereits zuvor realisiert, wie die Forscher offen sagen. In früheren Arbeiten waren die resultierenden Systeme jedoch komplex und unvollkommen und zeigten nicht das volle Potenzial jeder Komponente.
Eine der von Vorgängern inspirierten Ideen war die Verwendung einer zweidimensionalen Materialplattform. In diesem Fall ist es möglich, Geräte mit atomar dünnen Emissionsschichten zu realisieren, 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-LEDs mit vdW-Materialien, die ungewöhnliche magnetische Eigenschaften, starke Supraleitung und/oder nicht standardmäßige topologische Transfers aufweisen. Durch eine solche Kombination kann ein völlig neuartiger Gerätetyp erhalten werden, dessen Eigenschaften durchaus ungewöhnlich sein können. Aber wie Wissenschaftler sagen, ist dies ein Thema für eine andere Studie.
Bild #1
Auf dem Bild 1a zeigt ein dreidimensionales Modell eines Geräts, das einer Schichttorte ähnelt. Der obere Spiegel des optischen Resonators besteht aus einer Silberschicht und der untere Spiegel besteht aus einer 12-schichtigen Schicht Bragg-Reflektor*. Die aktive Region enthält eine Tunnelzone.
Verteilter Bragg-Reflektor* - eine Struktur aus mehreren Schichten, bei der sich der Brechungsindex des Materials senkrecht zu den Schichten periodisch ändert.
Die Tunnelzone besteht aus einer vdW-Heterostruktur bestehend aus einer WS2-Monoschicht (Lichtemitter), dünnen hBN-Schichten auf beiden Seiten der Monoschicht (Tunnelbarriere) und Graphen (transparente Elektroden zur Einführung von Elektronen und Löchern).
Zwei weitere Schichten WS2 wurden hinzugefügt, um die Gesamtstärke des Oszillators zu erhöhen und somit eine ausgeprägtere Rabi-Aufspaltung der Polaritonzustände zu erzeugen.
Die Funktionsweise des Resonators wird durch Veränderung der Dicke der PMMA-Schicht (Polymethylmethacrylat, also Plexiglas) eingestellt.
Bild 1b Dies ist eine Momentaufnahme einer vdW-Heterostruktur auf der Oberfläche eines verteilten Bragg-Reflektors. Aufgrund des hohen Reflexionsvermögens des verteilten Bragg-Reflektors, der die untere Schicht darstellt, weist die Tunnelzone im Bild einen sehr geringen Reflexionskontrast auf, was dazu führt, dass nur die obere dicke hBN-Schicht beobachtet wird.
Planen 1с stellt das vdW-Zonendiagramm der Heterostruktur in der Tunnelgeometrie unter Verschiebung dar. Elektrolumineszenz (EL) wird oberhalb der Schwellenspannung beobachtet, wenn das Fermi-Niveau des oberen (unteren) Graphens über (unter) das Leitungsband (Valenzband) von WS2 verschoben wird, wodurch ein Elektron (Loch) in das Leitungsband (Valenz) tunneln kann. Band von WS2. Dies schafft günstige Bedingungen für die Bildung von Exzitonen in der WS2-Schicht mit anschließender strahlender (radiativer) Elektron-Loch-Rekombination.
Im Gegensatz zu PN-Übergangs-Lichtemittern, die für ihren Betrieb eine Dotierung erfordern, hängt EL von Tunnelbauelementen ausschließlich vom Tunnelstrom ab, wodurch optische Verluste und durch Temperaturänderungen verursachte Änderungen des spezifischen Widerstands vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die Tunnelarchitektur einen viel größeren Emissionsbereich im Vergleich zu Dichalkogenid-Bauelementen auf Basis von pn-Übergängen.
Bild 1d demonstriert die elektrischen Eigenschaften der Tunnelstromdichte (J) als Funktion der Vorspannung (V) zwischen Graphenelektroden. Ein starker Anstieg des Stroms sowohl bei positiven als auch bei negativen Spannungen weist auf das Auftreten eines Tunnelstroms durch die Struktur hin. Bei der optimalen Dicke der hBN-Schichten (~2 nm) werden ein erheblicher Tunnelstrom und eine Verlängerung der Lebensdauer eingebetteter Träger für die Strahlungsrekombination beobachtet.
Vor der Durchführung des Elektrolumineszenzexperiments wurde das Gerät durch winkelaufgelöste Weißlichtreflexion charakterisiert, um das Vorhandensein einer starken excitonischen Kopplung zu bestätigen.
Bild #2
Auf dem Bild 2a Es werden winkelaufgelöste Reflexionsspektren aus dem aktiven Bereich des Geräts gezeigt, die das Anti-Kreuzungsverhalten demonstrieren. Photolumineszenz (PL) wurde auch bei nichtresonanter Anregung (460 nm) beobachtet und zeigte eine intensive Emission vom unteren Polaritonenzweig und eine schwächere Emission vom oberen Polaritonenzweig (2b).
Auf 2с zeigt die Streuung der Polariton-Elektrolumineszenz bei einer Injektionsrate von 0.1 μA/μm2. Die Rabi-Aufspaltung und die Hohlraumverstimmung, die durch Anpassen der Oszillatormoden (durchgezogene und gestrichelte weiße Linie) an das EL-Experiment erzielt werden, betragen ～33 meV bzw. ～-13 meV. Die Hohlraumverstimmung ist definiert als δ = Ec − Ex, wobei Ex die Exzitonenenergie und Ec die Photonenenergie des Hohlraums mit Nullimpuls in der Ebene bezeichnet. Zeitplan 2d Dabei handelt es sich um einen Schnitt in unterschiedlichen Winkeln aus der Elektrolumineszenzdispersion. Hier ist die Streuung der oberen und unteren Polaritonenmode mit Antikreuzung in der Exzitonenresonanzzone deutlich sichtbar.
Bild #3
Mit zunehmendem Tunnelstrom nimmt die gesamte EL-Intensität zu. Nahe der Schwellenverschiebung wird ein schwacher EL von Polaritonen beobachtet (3a), während bei einer ausreichend großen Verschiebung über dem Schwellenwert die Polaritonenemission deutlich wird (3b).
Auf dem Bild 3с zeigt ein Polardiagramm der EL-Intensität als Funktion des Winkels und zeigt einen schmalen Emissionskegel von ±15°. Das Strahlungsmuster bleibt sowohl für den minimalen (grüne Kurve) als auch für den maximalen (orangefarbene Kurve) Erregerstrom nahezu unverändert. An 3d zeigt die integrierte Intensität für verschiedene sich bewegende Tunnelströme, die, wie aus der Grafik hervorgeht, ziemlich linear ist. Daher kann eine Erhöhung des Stroms auf hohe Werte zu einer erfolgreichen Streuung von Polaritonen entlang des unteren Zweigs führen und aufgrund der Polaritonenerzeugung ein extrem schmales Emissionsmuster erzeugen. In diesem Experiment war dies jedoch aufgrund der mit dem dielektrischen Durchschlag der hBN-Tunnelbarriere verbundenen Einschränkungen nicht möglich.
Rote Punkte auf 3d Messungen eines anderen Indikators anzeigen - extern Quanteneffizienz*.
Quanteneffizienz* — das Verhältnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption zur Bildung von Quasiteilchen führte, zur Gesamtzahl der absorbierten Photonen.
Die beobachtete Quanteneffizienz ist vergleichbar mit der anderer Polariton-LEDs (basierend auf organischen Materialien, Kohlenstoffröhren usw.). Bemerkenswert ist, dass bei dem untersuchten Gerät die Dicke der lichtemittierenden Schicht nur 0.7 nm beträgt, während dieser Wert bei anderen Geräten deutlich höher ist. Wissenschaftler verbergen nicht die Tatsache, dass die Quanteneffizienz ihres Geräts nicht die höchste ist, sie kann jedoch erhöht werden, indem eine größere Anzahl von Monoschichten innerhalb der Tunnelzone platziert wird, die durch dünne hBN-Schichten getrennt sind.
Die Forscher testeten auch die Auswirkung der Resonatorverstimmung auf die Polariton-EL, indem sie ein anderes Gerät herstellten, jedoch mit einer stärkeren Verstimmung (-43 meV).
Bild #4
Auf dem Bild 4a Es werden EL-Spektren mit Winkelauflösung eines solchen Geräts bei einer Stromdichte von 0.2 μA/μm2 angezeigt. Aufgrund der starken Verstimmung weist das Gerät im EL einen ausgeprägten Flaschenhalseffekt auf, wobei das Emissionsmaximum in einem großen Winkel auftritt. Dies wird im Bild weiter bestätigt 4b, wo die Polardiagramme dieses Geräts mit dem ersten verglichen werden (2с).
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf .
Letzter Akt
Somit bestätigen alle oben beschriebenen Beobachtungen und Messungen das Vorhandensein von Polariton-Elektrolumineszenz in einer vdW-Heterostruktur, die in einen optischen Mikrohohlraum eingebaut ist. Die Tunnelarchitektur des untersuchten Geräts gewährleistet die Einführung von Elektronen/Löchern und die Rekombination in der WS2-Monoschicht, die als Lichtemitter dient. Es ist wichtig, dass der Tunnelmechanismus des Geräts kein Legieren von Komponenten erfordert, wodurch Verluste und verschiedene temperaturbedingte Änderungen minimiert werden.
Es wurde festgestellt, dass EL aufgrund der Dispersion des Resonators eine hohe Richtwirkung aufweist. Daher wird die Verbesserung des Kavitätsqualitätsfaktors und eine höhere Stromabgabe die Effizienz von Mikrokavitäts-LEDs sowie elektrisch gesteuerten Mikrokavitäts-Polaritonen und photonischen Lasern verbessern.
Diese Arbeit bestätigte einmal mehr, dass Übergangsmetalldichalkogenide wirklich einzigartige Eigenschaften und ein sehr breites Anwendungsspektrum haben.
Solche Forschungen und innovativen Erfindungen können die Entwicklung und Verbreitung von Datenübertragungstechnologien mithilfe von LEDs und Licht selbst stark beeinflussen. Zu diesen zukunftsweisenden Technologien gehört Li-Fi, das deutlich höhere Geschwindigkeiten bieten kann als das derzeit verfügbare Wi-Fi.
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Source: habr.com