Durante muchos años, científicos de todo el mundo se han dedicado a dos cosas: inventar y perfeccionar. Y a veces no está claro cuál de estas es más difícil. Tomemos, por ejemplo, los simples diodos emisores de luz, que nos parecen tan comunes y ordinarios que ni siquiera les prestamos atención. Pero si agregamos un poco de excitones, una pizca de polaritones y un toque de disulfuro de tungsteno al gusto, los diodos emisores de luz ya no serán tan prosaicos. Todos estos términos complejos son nombres de componentes inusuales cuya combinación ha permitido a los científicos del City College de Nueva York crear un nuevo sistema capaz de transmitir información extremadamente rápido a través de la luz. Este desarrollo ayudará a mejorar la tecnología Li-Fi. ¿Qué ingredientes específicos se han utilizado en la nueva tecnología, cuál es la receta de este “plato” y cuál es la eficiencia del nuevo diodo emisor de excitón-polaritón? De esto nos hablará el informe de los científicos. Vamos.
Base de la investigación
Si simplificamos todo a una sola palabra, esta tecnología es luz y todo lo relacionado con ella. En primer lugar, los polaritones, que surgen de la interacción de fotones con excitaciones en el medio (fonones, excitones, plasmones, magnones, etc.). En segundo lugar, los excitones: una excitación electrónica en un dieléctrico, semiconductor o metal, que migra a través del cristal y no está relacionada con el transporte de carga eléctrica y masa.
Es importante destacar que estas cuasipartículas prefieren el frío, es decir, solo se puede observar su actividad a temperaturas extremadamente bajas, lo que limita su aplicación práctica. Pero eso fue antes. En este trabajo, los científicos lograron superar la limitación de temperatura y utilizarlos a temperaturas ambiente.
La principal característica de los polaritones es su capacidad para vincular fotones entre sí. Los fotones que chocan contra átomos de rubidio adquieren masa. A través de múltiples colisiones, los fotones rebotan entre sí, pero en raras ocasiones forman pares y tripletas, perdiendo al mismo tiempo la componente atómica representada por el átomo de rubidio.
Pero, para hacer algo con la luz, se necesita atraparla. Para ello se requiere un resonador óptico, que consiste en una serie de elementos reflectantes que forman una onda de luz estacionaria.
En este estudio, juegan un papel fundamental unas partículas cuasi inusuales: los excitón-polaritones, que se forman gracias a la fuerte interacción entre excitones y fotones atrapados en un resonador óptico.
Sin embargo, esto no es suficiente, pues se necesita una base material, por así decirlo. Y nadie mejor que los disulfuros de metales de transición (DMT) desempeñará este papel. Más concretamente, se utilizó una capa monoestructural de WS2 (disulfuro de tungsteno) como material emisor, que presenta considerables energías de enlace de excitones, lo que se convirtió en uno de los principales criterios para la selección de la base material.
La combinación de todos los elementos descritos anteriormente permitió crear un diodo emisor de polaritones controlado eléctricamente, que opera a temperatura ambiente.
Para realizar este dispositivo, la capa monoestructural de WS2 se coloca entre finas barreras de túnel hexagonales de nitrógeno de boro (hBN), con capas de grafeno actuando como electrodos.
Resultados de la investigación
El WS2, siendo un disulfuro de metales de transición, también es un material de Van der Waals (vdW) de un solo átomo de espesor. Esto habla de sus propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas únicas.
En combinación con otros materiales vdW, como el grafeno (como conductor) y el nitrógeno de boro hexagonal (hBN, como aislante), se pueden implementar una gran cantidad de dispositivos semiconductores controlados eléctricamente, incluidos los diodos. Investigadores han declarado que combinaciones similares de materiales de Van der Waals y polaritones ya se habían implementado anteriormente. Sin embargo, en trabajos anteriores, los sistemas resultantes eran complejos e imperfectos, y no revelaban todo el potencial de cada uno de los componentes.
Una de las ideas, inspiradas por los predecesores, fue la aplicación de una plataforma material bidimensional. En este caso, se pueden implementar dispositivos con capas de emisión atómicamente delgadas, que pueden integrarse con otros materiales vdW que funcionan como contactos (grafeno) y barreras de túnel (hBN). Además, esta bidimensionalidad permite combinar diodos de polaritón con materiales vdW que poseen propiedades magnéticas inusuales, una fuerte superconductividad y/o transportes topológicos 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 otra investigación.
Imagen No. 1
En la imagen 1a se muestra un modelo tridimensional del dispositivo, que parece un pastel en capas. Como espejo superior del resonador óptico actúa una capa de plata, y como inferior, un reflector distribuido de 12 capas. reflector de Bragg*. En la región activa se sitúa la zona de túnel.
Reflector de Bragg distribuido* — una estructura formada por varias capas, en la que el índice de refracción del material cambia periódicamente perpendicularmente a las capas.
La zona de túnel consiste en una heteroestructura vdW compuesta por una monocapa de WS2 (fuente de luz), capas delgadas de hBN a ambos lados de la monocapa (barrera de túnel) y grafeno (electrodos transparentes para inyección de electrones y huecos).
Se añadieron otras dos capas de WS2 para aumentar la fuerza total del generador y, por lo tanto, para un desdoblamiento más pronunciado de los estados de polaritón de Rabi.
El modo de operación del resonador se ajusta cambiando el grosor de la capa de PMMA (polimetilmetacrilato, es decir, acrílico).
Imagen 1b esta es una imagen de la heteroestructura vdW sobre la superficie del reflector de Bragg distribuido. Debido a la alta capacidad reflectante del reflector de Bragg distribuido, que actúa como capa inferior, la zona de túnel en la imagen tiene un contraste de reflexión muy bajo, lo que resulta en la observación únicamente de la capa superior gruesa de hBN.
Gráfico 1c representa un diagrama de zona vdW de la heteroestructura en la geometría de 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, permitiendo que un electrón (hueco) tunnel en la banda de conducción (valencia) de WS2. Esto crea condiciones favorables para la formación de excitones en la capa de WS2 con la posterior recombinación radiativa (emisión) electron-hueco.
A diferencia de los emisores de luz basados en uniones p-n, que requieren dopaje para funcionar, la EL de dispositivos de túnel depende exclusivamente de la corriente de túnel, lo que permite evitar pérdidas ópticas y cambios en la resistividad específicos causados por cambios de temperatura. Al mismo tiempo, la arquitectura de túnel permite un área de emisión mucho mayor en comparación con dispositivos basados en uniones p-n de dicromuros.
Imagen 1d demuestra características eléctricas de densidad de corriente de túnel (J) como funciones del voltaje de desplazamiento (V) entre los electrodos de grafeno. Un aumento abrupto en la corriente tanto para voltajes positivos como negativos indica la aparición de corriente de túnel a través de la estructura. Con un grosor óptimo de capas de hBN (~2 nm) se observa una corriente de túnel significativa y un aumento en el tiempo de vida de los portadores inyectados para la recombinación radiativa.
Antes de realizar el experimento de electroluminiscencia, se caracterizó el dispositivo en cuanto a la reflectancia de luz blanca con resolución angular para confirmar la fuerte vinculación de los excitones.
Imagen Nº 2
En la imagen 2a se muestran los espectros de reflectancia con resolución angular desde la región activa del dispositivo, demostrando comportamientos que restringen la intersección. También se observó fotoluminiscencia (PL) bajo excitación no resonante (460 nm), mostrando intensa emisión de la rama inferior del polaritón y emisión más débil de la rama superior del polaritón (2b).
En 2c se muestra la dispersión de electroluminiscencia del polaritón al inyectar 0.1 μA/mkcm². La separación de Rabi y el desajuste del resonador, obtenidos mediante la adaptación de los modos del oscilador (línea blanca continua y punteada) al experimento de electroluminiscencia, son de aproximadamente 33 meV y -13 meV respectivamente. El desajuste del resonador se define como δ = Ec − Ex, donde Ex es la energía del excitón y Ec representa la energía del fotón del resonador con momento cero en el plano. Gráfico 2d es un corte a diferentes ángulos de la dispersión electroluminiscente. Aquí se observa claramente la dispersión de los modos de polaritón superior e inferior con una antiencrucijada que ocurre en la zona de resonancia del excitón.
Imagen Nº 3
A medida que aumenta la corriente de túnel, la intensidad total de la electroluminiscencia aumenta. La débil electroluminiscencia de los polaritones se observa cerca del desplazamiento umbral (3a), mientras que con un desplazamiento suficientemente grande por encima del umbral, la emisión de polaritones se vuelve clara (3b).
En la imagen 3c se muestra un gráfico polar de la intensidad de electroluminiscencia como función del ángulo, representando un estrecho cono de emisión ± 15°. El diagrama de radiación permanece prácticamente inalterado tanto para la corriente mínima (curva verde) como para la máxima (curva naranja) de excitación. En 3d se muestra la intensidad integrada a diferentes corrientes de túnel en movimiento, que, como se puede ver en el gráfico, es bastante lineal. Por lo tanto, el aumento de la corriente a valores altos puede llevar a una exitosa dispersión de polaritones a lo largo de la rama inferior y crear un diagrama de radiación extremadamente estrecho debido a la generación de polaritones. Sin embargo, en este experimento no fue posible lograrlo debido a la limitación relacionada con la ruptura dieléctrica de la barrera de túnel hBN.
Los puntos rojos en 3d muestran las mediciones de otro indicador: la eficiencia cuántica externa*.
La eficiencia cuántica* es la relación entre el número de fotones cuya absorción causó la creación de quasipartículas y el número total de fotones absorbidos.
La eficiencia cuántica observada es comparable a la de otros diodos luminosos de polaritones (basados en materiales orgánicos, nanotubos de carbono, etc.). Cabe señalar que en el dispositivo estudiado el grosor de la capa emisora es de apenas 0,7 nm, mientras que en otros dispositivos este valor es mucho mayor. Los científicos no ocultan que el índice de eficiencia cuántica de su dispositivo no es el más alto, pero se puede aumentar al incluir un mayor número de monoláminas dentro de la zona de túnel, separadas por capas delgadas de hBN.
Los investigadores también verificaron el impacto de la perturbación del resonador en la EL de polaritones, fabricando otro dispositivo, pero con una perturbación más fuerte (- 43 meV).
Imagen número 4
En la imagen 4a se muestran los espectros de la EL con una resolución angular de este dispositivo a una densidad de corriente de 0,2 μA/micrón². Debido a la fuerte perturbación, el dispositivo muestra un pronunciado efecto de cuello de botella en la EL, con un máximo de emisión ocurriendo en un gran ángulo. Esto se confirma adicionalmente en la imagen 4b, donde se comparan los gráficos polares de este dispositivo con el primero (2c).
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Epílogo
Por lo tanto, todas las observaciones y mediciones descritas anteriormente confirman la existencia de electroluminiscencia de polaritones en la heteroestructura de vdW integrada en un micror resonador óptico. La arquitectura de túnel del dispositivo investigado permite la inyección de electrones/huecos y la recombinación en un monolito de WS2, que sirve como emisor de luz. Es importante que el mecanismo de túnel del dispositivo no requiera la dopaje de componentes, lo que minimiza las pérdidas y los diversos cambios relacionados con la temperatura.
Se ha establecido que la EL tiene una alta direccionalidad gracias a la dispersión del resonador. Por lo tanto, mejorar la calidad del resonador y un mayor suministro de corriente permitirán aumentar la eficiencia de los diodos emisores de luz de micror resonadores, así como de los polaritones de micror resonadores controlados eléctricamente y de los láseres fotónicos.
Este trabajo ha confirmado una vez más que los dicalcógenos de metales de transición tienen propiedades realmente únicas y un amplio espectro de aplicaciones.
Investigaciones similares e innovaciones pueden tener un gran impacto en el desarrollo y la difusión de tecnologías de transmisión de datos a través de LED y luz en general. Una de estas tecnologías futuristas es Li-Fi, que puede ofrecer velocidades significativamente mayores que las de Wi-Fi disponibles actualmente.
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Fuente: habr.com
