Jahrelang haben Wissenschaftler aus der ganzen Welt an zwei Dingen gearbeitet – dem Erfinden und der Verbesserung. Manchmal ist unklar, was davon schwieriger ist. Nehmen wir zum Beispiel gewöhnliche LEDs, die uns so einfach und alltäglich erscheinen, dass wir kaum auf sie achten. Doch wenn wir ein wenig Exzitonen, eine Prise Polaritonen und nach Geschmack Wolframdisulfid hinzufügen, werden diese LEDs alles andere als banal. All diese komplizierten Begriffe bezeichnen extrem ungewöhnliche Komponenten, deren Kombination es Wissenschaftlern vom City College of New York ermöglicht hat, ein neues System zu entwickeln, das Informationen über Licht extrem schnell übertragen kann. Diese Entwicklung wird die Li-Fi-Technologie verbessern. Welche spezifischen Zutaten in der neuen Technologie verwendet wurden, welches Rezept dieses „Gericht“ hat und wie effizient der neue Exzitonen-Polaritonen-LED arbeitet, wird uns der Bericht der Wissenschaftler verraten. Lassen Sie uns starten.
Grundlage der Forschung
Wenn man alles auf ein Wort reduzieren möchte, dann ist diese Technologie Licht und alles, was damit verbunden ist. Erstens gibt es die Polaritonen, die entstehen, wenn Photonen mit Anregungen der Materie (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnetonen usw.) interagieren. Zweitens sind die Exzitonen elektrische Anregungen in Dielektrika, Halbleitern oder Metallen, die sich im Kristall bewegen und nicht mit dem Transport elektrischer Ladung und Masse verbunden sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Quasiteilchen sehr kalte Temperaturen bevorzugen, das heißt, ihre Aktivität kann nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet werden, was die praktische Anwendung stark einschränkt. Aber das war früher. In dieser Arbeit konnten die Wissenschaftler die Temperaturgrenze überwinden und sie bei Raumtemperatur einsetzen.
Das Hauptmerkmal der Polaritonen ist die Möglichkeit, Photonen miteinander zu verbinden. Photonen, die auf Rubidium-Atome treffen, gewinnen an Masse. Bei mehrfachen Kollisionen stoßen die Photonen voneinander ab, bilden jedoch in seltenen Fällen Paare und Triplette, wobei sie die atomare Komponente verlieren, die durch das Rubidium-Atom vertreten ist.
Um jedoch etwas mit Licht zu machen, muss es eingefangen werden. Zu diesem Zweck benötigt man einen optischen Resonator, der aus einer Kombination von reflektierenden Elementen besteht, die eine stehende Lichtwelle erzeugen.
In dieser Studie spielen noch ungewöhnlichere Quasiteilchen eine entscheidende Rolle – die Exzitonen-Polaritonen, die durch die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen, die im optischen Resonator eingefangen sind, entstehen.
Allerdings ist das nicht genug, denn es ist eine materielle Grundlage erforderlich. Und niemand eignet sich dafür besser als Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD). Genauer gesagt, wurde als emittierendes Material eine Monoschicht von WS2 (Wolframdisulfid) verwendet, das über bemerkenswerte Bindungsenergien von Exzitonen verfügt, was eines der Hauptkriterien für die Wahl der materiellen Basis wurde.
Die Kombination all dieser oben beschriebenen Elemente ermöglichte die Schaffung einer elektrisch steuerbaren Polariton-LED, die bei Raumtemperatur arbeitet.
Für die Realisierung dieses Geräts wird eine WS2-Monoschicht zwischen dünnen hexagonalen Tunnelbarrieren aus Bornitrid (hBN) platziert, wobei Graphenschichten als Elektroden fungieren.
Die Forschungsergebnisse
WS2, als Dichalkogenid von Übergangsmetallen, ist ebenfalls ein atomdünnes van-der-Waals (vdW) Material. 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) können eine Vielzahl von elektrisch gesteuerten Halbleiterbauelementen realisiert werden, zu denen auch LEDs gehören. Solche Kombinationen von van-der-Waals-Materialien und Polaritonen wurden bereits früher umgesetzt, wie die Forscher klarstellen. In früheren Arbeiten waren die resultierenden Systeme jedoch komplex und unvollkommen und zeigten nicht das volle Potenzial jeder Komponente.
Eine der Ideen, die von früheren Entwicklungen inspiriert wurden, ist die Verwendung einer zweidimensionalen Materialplattform. So 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, hohe Supraleitung und/oder besondere topologische Transporte aufweisen. Durch diese Kombination kann eine ganz neue Art von Gerät entstehen, dessen Eigenschaften sehr ungewöhnlich sein können. Aber wie Wissenschaftler sagen, ist das ein Thema für eine andere Studie.
Abbildung Nr. 1
Im Bild 1a es wird ein dreidimensionales Modell eines Geräts gezeigt, das an einen Schichtkuchen erinnert. Als obere Reflexionsschicht des optischen Resonators fungiert eine Schicht Silber, während als untere Schicht ein 12-schichtiger Verteiler dient. Bragg-Reflektor*. Im aktiven Bereich befindet sich die Tunnelzone.
Verteilter Bragg-Reflektor* — eine mehrschichtige Struktur, in der der Brechungsindex des Materials periodisch senkrecht zu den Schichten variiert.
Die Tunnelzone besteht aus einer vdW-Heterostruktur, die aus einer WS2-Monolage (Lichtquelle), dünnen hBN-Schichten auf beiden Seiten der Monolage (Tunnelbarriere) und Graphen (transparente Elektroden zur Einspeisung von Elektronen und Löchern) besteht.
Es wurden zwei weitere WS2-Schichten hinzugefügt, um die Gesamtkraft des Generators zu erhöhen und somit das Aufspalten der Rabi-Polaritons zu verstärken.
Der Betriebsmodus des Resonators wird durch die Änderung der Dicke der PMMA-Schicht (Polymethylmethacrylat, d.h. Acrylglas) eingestellt.
Das Bild 1b Dies ist ein Bild der vdW-Heterostruktur auf der Oberfläche eines verteilten Bragg-Reflektors. Aufgrund der hohen Reflexionsfähigkeit des verteilten Bragg-Reflektors, welcher die untere Schicht darstellt, weist die Tunnelzone auf dem Bild einen sehr niedrigen Reflexionskontrast auf, wodurch nur die obere dicke hBN-Schicht sichtbar ist.
Diagramm 1c stellt ein Diagramm der vdW-Heterostruktur in der Tunnel-Geometrie bei Verschiebung dar. Elektrolumineszenz (EL) wird oberhalb der Einschaltspannung beobachtet, wenn das Fermi-Niveau des oberen (unteren) Graphens über (unter) dem Leitungsband (Valenzband) von WS2 verschoben ist, was es einem 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 Rekombination von Elektron und Loch.
Im Gegensatz zu lichtemittierenden Dioden auf Basis von p-n-Übergängen, die eine Dotierung benötigen, hängt die EL von Tunnelgeräten ausschließlich vom Tunnelstrom ab, was optische Verluste und alle Änderungen des spezifischen Widerstands, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, vermeidet. Gleichzeitig ermöglicht die Tunnelarchitektur ein viel größeres Emissionsgebiet im Vergleich zu dichalcogenid-basierten Geräten auf p-n-Übergangs-Basis.
Das Bild 1 Tag zeigt die elektrischen Eigenschaften der Tunnelstromdichte (J) als Funktion der Verschiebungsspannung (inhalte und den eigentlichen Inhalt) zwischen den Graphenelektroden. Der plötzliche Anstieg des Stroms sowohl bei positiver als auch bei negativer Spannung weist auf das Entstehen von Tunnelstrom durch die Struktur hin. Bei optimaler Schichtdicke von hBN (~2 nm) wird ein signifikanter Tunnelstrom und eine erhöhte Lebensdauer der eingefügten Träger für die strahlende Rekombination beobachtet.
Vor der Durchführung des elektrolumineszenten Experiments wurde das Gerät hinsichtlich der Reflexionsfähigkeit von weißem Licht mit angularer Auflösung charakterisiert, um die starke Kopplung von Exzitonen zu bestätigen.
Abbildung Nr. 2
Im Bild 2a Die reflektierten Spektren mit Winkelauflösung aus dem aktiven Bereich des Geräts zeigen ein Verhalten, das eine Überkreuzung verhindert. Außerdem wurde Photolumineszenz (PL) bei nicht-resonantem Anregen (460 nm) beobachtet, die eine intensive Strahlung aus dem unteren Zweig des Polaritons und eine schwächere Strahlung aus dem oberen Zweig des Polaritons zeigt.2b).
Auf 2s Die Dispersion der Elektrolumineszenz des Polaritons wurde bei einer Injektion von 0,1 μA/mk² gemessen. Die Rabi-Spaltung und die Resonator-Störung, die durch das Anpassen der Moden des Oszillators (feste und gestrichelte weiße Linie) an das elektrolumineszente Experiment gewonnen wurden, betragen etwa 33 meV und etwa -13 meV. Die Störung des Resonators wird als δ = Ec − Ex definiert, wobei Ex die Energie des Exziton und Ec die Energie des Photons des Resonators mit Nullimpuls in der Ebene bezeichnet. Graph 2d ist ein Schnitt aus verschiedenen Winkeln der elektrolumineszente Dispersion. Hier ist die Dispersion der oberen und unteren Polaritonmoden mit einer Antikreuzung, die im Bereich der Exziton-Resonanz auftritt, gut sichtbar.
Abbildung Nr. 3
Mit steigender Tunneling-Stromstärke nimmt die Gesamtintensität der EL zu. Eine schwache EL von Polaritonen wird nahe der Threshold-Verschiebung beobachtet (3a), während bei ausreichend großer Verschiebung oberhalb des Schwellenwertes die Polariton-Emission deutlich wird (3b).
Im Bild 3s Es wird ein polarer Graph der Intensität des EL als Funktion des Winkels dargestellt, der einen engen Emissionskegel von ± 15° zeigt. Das Strahlungsdiagramm bleibt praktisch unverändert sowohl für den minimalen (grüne Kurve) als auch für den maximalen (orange Kurve) Anregungsstrom. Bei 3d wird die integrierte Intensität bei verschiedenen bewegten Tunnelströmen gezeigt, die, wie aus dem Graphen ersichtlich ist, ausreichend linear sind. Daher kann eine Erhöhung des Stroms auf hohe Werte zu einer erfolgreichen Streuung von Polaritonen entlang des unteren Zweigs führen und ein extrem enges Strahlungsdiagramm aufgrund der Erzeugung von Polaritonen schaffen. In diesem Experiment war es jedoch aufgrund der Einschränkung, die mit dem dielektrischen Durchbruch des Tunnelbarriere hBN verbunden war, nicht möglich, dies zu erreichen.
Die roten Punkte auf 3d zeigen die Messungen eines weiteren Indikators – der externen quantum Effizienz*.
Quantum Effizienz* ist das Verhältnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption die Bildung von Quasiteilchen verursacht hat, zur Gesamtanzahl der absorbierten Photonen.
Die beobachtete quantenmechanische Effizienz ist vergleichbar mit der anderer Polariton-Leuchtdioden (auf Basis organischer Materialien, Kohlenstoffnanoröhren usw.). Es ist jedoch zu beachten, dass die Dicke der lichtemittierenden Schicht in dem untersuchten Gerät nur 0,7 nm beträgt, während dieser Wert bei anderen Geräten erheblich höher ist. Die Wissenschaftler geben zu, dass die Quanteneffizienz ihres Geräts nicht die höchste ist, aber sie kann durch die Platzierung einer größeren Anzahl von Monoschichten innerhalb der Tunnelzone, die durch dünne Schichten von hBN getrennt sind, erhöht werden.
Die Forscher haben auch den Einfluss der Störung des Resonators auf das EL des Polaritons überprüft, indem sie ein weiteres Gerät mit einer stärkeren Störung (- 43 meV) hergestellt haben.
Bild Nr. 4
Im Bild 4a Die Spektren des EL mit Winkelauflösung dieses Geräts bei einer Stromdichte von 0,2 µA/mk2 sind dargestellt. Aufgrund der starken Störung zeigt das Gerät einen ausgeprägten Flaschenhals-Effekt im EL mit einem Emissionsmaximum, das unter einem großen Winkel auftritt. Dies wird zusätzlich im Bild bestätigt. 4b, wo die polarisierten Grafiken dieses Geräts mit dem ersten verglichen werden.2s).
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in .
Epilog
Somit bestätigen alle oben beschriebenen Beobachtungen und Messungen das Vorhandensein von Polariton-Elektrolumineszenz in der vdW-Heterostruktur, die in einem optischen Mikror resonator integriert ist. Die Tunnelstruktur des untersuchten Geräts ermöglicht das Einspeisen von Elektronen/Löchern und die Rekombination in einer Monoschicht WS2, die als Lichtemitter dient. Es ist wichtig zu beachten, dass der Tunnelmechanismus des Geräts keine Dotierung von Komponenten erfordert, was die Verluste und verschiedene temperaturabhängige Veränderungen minimiert.
Es wurde festgestellt, dass die elektrolumineszente Strahlung aufgrund der Dispersion des Resonators eine hohe Richtung hat. Daher wird eine Verbesserung der Güte des Resonators und eine höhere Stromzufuhr die Effizienz der Mikror resonator-LEDs sowie elektrischen gesteuerten Mikror resonator-Polariton und photonischen Laser erhöhen.
Diese Arbeit hat erneut bestätigt, dass Übergangsmetall-Dichalkogenide tatsächlich einzigartige Eigenschaften und ein sehr breites Anwendungsspektrum besitzen.
Solche Forschungen und innovative Erfindungen können die Entwicklung und Verbreitung von Datenübertragungstechnologien mittels LEDs und Licht im Allgemeinen erheblich beeinflussen. Zu diesen futuristischen Technologien gehört Li-Fi, das eine deutlich höhere Geschwindigkeit als das derzeitige Wi-Fi bieten kann.
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Quelle: habr.com
