Durante muchos años, científicos de todo el mundo han estado haciendo dos cosas: inventar y mejorar. Y a veces no está claro cuál es más difícil. Tomemos, por ejemplo, los LED comunes, que nos parecen tan simples y comunes que ni siquiera les prestamos atención. Pero si añades unos cuantos excitones, una pizca de polaritones y disulfuro de tungsteno al gusto, los LED ya no serán tan prosaicos. Todos estos términos abstrusos son nombres de componentes extremadamente inusuales, cuya combinación permitió a los científicos del City College de Nueva York crear un nuevo sistema capaz de transmitir información extremadamente rápidamente utilizando la luz. Este desarrollo ayudará a mejorar la tecnología Li-Fi. ¿Qué ingredientes exactos de la nueva tecnología se utilizaron, cuál es la receta de este “plato” y cuál es la eficiencia operativa del nuevo LED excitón-polaritón? El informe de los científicos nos informará sobre esto. Ir.
Base de investigación
Si simplificamos todo a una palabra, entonces esta tecnología es ligera y todo lo que está relacionado con ella. En primer lugar, los polaritones, que surgen cuando los fotones interactúan con las excitaciones del medio (fonones, excitones, plasmones, magnones, etc.). En segundo lugar, los excitones son excitaciones electrónicas en un dieléctrico, semiconductor o metal que migran por todo el cristal y no están asociadas con la transferencia de carga eléctrica ni masa.
Es importante señalar que estas cuasipartículas aman mucho el frío, es decir. Su actividad sólo puede observarse a temperaturas extremadamente bajas, lo que limita en gran medida su aplicación práctica. Pero eso fue antes. En este trabajo, los científicos pudieron superar la limitación de temperatura y utilizarlos a temperatura ambiente.
La característica principal de los polaritones es la capacidad de unir fotones entre sí. Los fotones que chocan con átomos de rubidio adquieren masa. En el proceso de repetidas colisiones, los fotones rebotan entre sí, pero en casos raros forman pares y tripletes, perdiendo el componente atómico representado por el átomo de rubidio.
Pero para hacer algo con luz, es necesario captarla. Para ello se necesita un resonador óptico, que es un conjunto de elementos reflectantes que forman una onda de luz estacionaria.
En este estudio, el papel más importante lo desempeñan cuasipartículas aún más inusuales: los excitones-polaritones, que se forman debido al fuerte acoplamiento de excitones y fotones atrapados en una cavidad óptica.
Sin embargo, esto no es suficiente, porque se necesita, por así decirlo, una base material. ¿Y quién mejor que el dicalcogenuro de metales de transición (TMD) desempeñará este papel? Más precisamente, como material emisor se utilizó una monocapa WS2 (disulfuro de tungsteno), que tiene unas energías de unión de excitones impresionantes, lo que se convirtió en uno de los criterios principales para elegir el material base.
La combinación de todos los elementos descritos anteriormente hizo posible crear un LED polariton controlado eléctricamente que funciona a temperatura ambiente.
Para realizar este dispositivo, se intercala una monocapa de WS2 entre finas barreras de túnel de nitruro de boro hexagonal (hBN) con capas de grafeno que actúan como electrodos.
Resultados de la investigación
WS2, al ser un dicalcogenuro de metal de transición, también es un material de van der Waals (vdW) atómicamente delgado. Esto habla de sus propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas únicas.
En combinación con otros materiales vdW, como el grafeno (como conductor) y el nitruro de boro hexagonal (hBN, como aislante), se pueden realizar una gran cantidad de dispositivos semiconductores controlados eléctricamente, entre los que se encuentran los LED. Combinaciones similares de materiales de Van der Waals y polaritones ya se han realizado anteriormente, como afirman abiertamente los investigadores. Sin embargo, en trabajos anteriores, los sistemas resultantes eran complejos e imperfectos y no revelaban todo el potencial de cada componente.
Una de las ideas que inspiraron sus predecesores fue el uso de una plataforma material bidimensional. En este caso, es posible realizar dispositivos con capas emisoras atómicamente delgadas, que pueden integrarse con otros materiales vdW que actúan como contactos (grafeno) y barreras de túneles (hBN). Además, esta bidimensionalidad permite combinar LED polariton con materiales vdW que tienen propiedades magnéticas inusuales, una fuerte superconductividad y/o transferencias topológicas no estándar. Como resultado de esta combinación, se puede obtener un tipo de dispositivo completamente nuevo, cuyas propiedades pueden ser bastante inusuales. Pero, como dicen los científicos, este es un tema para otro estudio.
Imagen #1
en la imagen 1a muestra un modelo tridimensional de un dispositivo que se asemeja a un pastel de capas. El espejo superior del resonador óptico es una capa de plata y el espejo inferior es una capa distribuida de 12 capas. Reflector Bragg*. La región activa contiene una zona de túnel.
Reflector Bragg distribuido* - una estructura de varias capas en la que el índice de refracción del material cambia periódicamente perpendicularmente a las capas.
La zona del túnel consta de una heteroestructura vdW que consta de una monocapa WS2 (emisor de luz), capas delgadas de hBN a ambos lados de la monocapa (barrera del túnel) y grafeno (electrodos transparentes para introducir electrones y huecos).
Se agregaron dos capas más de WS2 para aumentar la fuerza general del oscilador y, por lo tanto, producir una división Rabi más pronunciada de los estados de polaritones.
El modo de funcionamiento del resonador se ajusta cambiando el espesor de la capa de PMMA (polimetacrilato de metilo, es decir, plexiglás).
imagen 1b Esta es una instantánea de una heteroestructura vdW en la superficie de un reflector de Bragg distribuido. Debido a la alta reflectividad del reflector de Bragg distribuido, que es la capa inferior, la zona del túnel en la imagen tiene un contraste de reflectancia muy bajo, lo que resulta en que solo se observe la gruesa capa superior de hBN.
Programar 1с es el diagrama de zonas vdW de la heteroestructura en la geometría del túnel bajo desplazamiento. La electroluminiscencia (EL) se observa por encima del voltaje umbral cuando el nivel de Fermi del grafeno superior (inferior) se desplaza por encima (debajo) de la banda de conducción (valencia) de WS2, lo que permite que un electrón (hueco) haga un túnel hacia la conducción (valencia). banda de WS2. Esto crea condiciones favorables para la formación de excitones en la capa WS2 con la posterior recombinación radiativa (radiativa) de huecos de electrones.
A diferencia de los emisores de luz de unión pn, que requieren dopaje para funcionar, la EL de los dispositivos de túnel depende únicamente de la corriente del túnel, evitando pérdidas ópticas y cualquier cambio en la resistividad causado por los cambios de temperatura. Al mismo tiempo, la arquitectura del túnel permite una región de emisión mucho mayor en comparación con los dispositivos de dicalcogenuro basados en uniones pn.
imagen 1d demuestra las características eléctricas de la densidad de corriente del túnel (J) en función del voltaje de polarización (V) entre electrodos de grafeno. Un fuerte aumento en la corriente tanto para voltajes positivos como negativos indica la aparición de corriente de túnel a través de la estructura. En el espesor óptimo de las capas de hBN (~ 2 nm), se observa una corriente de túnel significativa y un aumento en la vida útil de los portadores integrados para la recombinación radiativa.
Antes de realizar el experimento de electroluminiscencia, el dispositivo se caracterizó por la reflectancia de luz blanca resuelta en ángulo para confirmar la presencia de un fuerte acoplamiento excitónico.
Imagen #2
en la imagen 2a Se muestran los espectros de reflectancia resueltos en ángulo de la región activa del dispositivo, lo que demuestra un comportamiento anti-cruzamiento. También se observó fotoluminiscencia (PL) bajo excitación no resonante (460 nm), mostrando una emisión intensa desde la rama inferior del polaritón y una emisión más débil desde la rama superior del polaritón (2b).
En 2с muestra la dispersión de la electroluminiscencia de polariton a una velocidad de inyección de 0.1 μA/μm2. La división de Rabi y la desafinación de la cavidad obtenidas al ajustar los modos del oscilador (línea blanca continua y discontinua) al experimento EL son ~33 meV y ~-13 meV, respectivamente. La desafinación de la cavidad se define como δ = Ec - Ex, donde Ex es la energía del excitón y Ec denota la energía del fotón de la cavidad de momento cero en el plano. Cronograma 2d Se trata de un corte en diferentes ángulos de la dispersión electroluminiscente. Aquí, la dispersión de los modos de polaritón superior e inferior con anticruzamiento que se produce en la zona de resonancia del excitón es claramente visible.
Imagen #3
A medida que aumenta la corriente de túnel, aumenta la intensidad EL general. Se observa EL débil de los polaritones cerca del cambio del umbral (3a), mientras que con un desplazamiento suficientemente grande por encima del umbral, la emisión de polaritones se vuelve distinta (3b).
en la imagen 3с muestra un gráfico polar de la intensidad EL en función del ángulo, que representa un cono de emisión estrecho de ±15°. El patrón de radiación permanece prácticamente sin cambios tanto para la corriente de excitación mínima (curva verde) como para la máxima (curva naranja). En 3d muestra la intensidad integrada para varias corrientes de túnel en movimiento, que, como puede verse en el gráfico, es bastante lineal. Por lo tanto, aumentar la corriente a valores altos puede conducir a una dispersión exitosa de los polaritones a lo largo de la rama inferior y crear un patrón de emisión extremadamente estrecho debido a la generación de polaritones. Sin embargo, en este experimento no fue posible lograr esto debido a la limitación asociada con la ruptura dieléctrica de la barrera del túnel hBN.
Puntos rojos en 3d mostrar mediciones de otro indicador - externo eficiencia cuántica*.
Eficiencia cuántica* — la relación entre el número de fotones cuya absorción provocó la formación de cuasipartículas y el número total de fotones absorbidos.
La eficiencia cuántica observada es comparable a la de otros LED de polariton (basados en materiales orgánicos, tubos de carbono, etc.). Vale la pena señalar que en el dispositivo en estudio el espesor de la capa emisora de luz es de sólo 0.7 nm, mientras que en otros dispositivos este valor es mucho mayor. Los científicos no ocultan que la eficiencia cuántica de su dispositivo no es la más alta, pero puede aumentarse colocando un mayor número de monocapas dentro de la zona del túnel, separadas por finas capas de hBN.
Los investigadores también probaron el efecto de la desafinación del resonador en polariton EL fabricando otro dispositivo, pero con una desafinación más fuerte (-43 meV).
Imagen #4
en la imagen 4a Los espectros EL con resolución angular de dicho dispositivo se muestran con una densidad de corriente de 0.2 μA/μm2. Debido a la fuerte desafinación, el dispositivo muestra un efecto de cuello de botella pronunciado en EL, con el máximo de emisión que se produce en un ángulo grande. Esto se confirma aún más en la imagen. 4b, donde se comparan las gráficas polares de este dispositivo con la primera (2с).
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar .
El acto final
Por tanto, todas las observaciones y mediciones descritas anteriormente confirman la presencia de electroluminiscencia de polariton en una heteroestructura vdW integrada en una microcavidad óptica. La arquitectura de túnel del dispositivo en estudio asegura la introducción de electrones/huecos y su recombinación en la monocapa WS2, que sirve como emisor de luz. Es importante que el mecanismo de túnel del dispositivo no requiera aleación de componentes, lo que minimiza las pérdidas y diversos cambios relacionados con la temperatura.
Se encontró que EL tiene una alta directividad debido a la dispersión del resonador. Por lo tanto, mejorar el factor de calidad de la cavidad y una mayor entrega de corriente mejorará la eficiencia de los LED de microcavidades, así como los polaritones de microcavidades y los láseres fotónicos controlados eléctricamente.
Este trabajo confirmó una vez más que los dicalcogenuros de metales de transición tienen propiedades verdaderamente únicas y una gama muy amplia de aplicaciones.
Estas investigaciones e invenciones innovadoras pueden influir en gran medida en el desarrollo y la difusión de tecnologías de transmisión de datos que utilizan LED y la propia luz. Estas tecnologías futuristas incluyen Li-Fi, que puede proporcionar velocidades significativamente más altas que las del Wi-Fi disponible actualmente.
¡Gracias por su atención, manténganse curiosos y que tengan una excelente semana para todos! 🙂
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Fuente: habr.com