Pendant de nombreuses années, des scientifiques du monde entier ont fait deux choses : inventer et améliorer. Et parfois, on ne sait pas lequel d'entre eux est le plus difficile. Prenez, par exemple, les LED ordinaires, qui nous semblent si simples et ordinaires que nous n'y prêtons pas attention. Mais si vous ajoutez quelques excitons, une pincée de polaritons et du bisulfure de tungstène au goût, les LED ne seront plus aussi prosaïques. Tous ces termes abstrus sont les noms de composants extrêmement inhabituels, dont la combinaison a permis aux scientifiques du City College de New York de créer un nouveau système capable de transmettre des informations extrêmement rapidement à l'aide de la lumière. Ce développement contribuera à améliorer la technologie Li-Fi. Quels étaient exactement les ingrédients de la nouvelle technologie utilisée, quelle est la recette de ce "plat" et quelle est l'efficacité de la nouvelle LED exciton-polariton ? Le rapport des scientifiques nous en parlera. Aller.
Base de recherche
Si tout est simplifié en un mot, alors cette technologie est légère et tout ce qui s'y rapporte. Premièrement, les polaritons, qui apparaissent lorsque des photons interagissent avec des excitations moyennes (phonons, excitons, plasmons, magnons, etc.). Deuxièmement, les excitons sont des excitations électroniques dans un diélectrique, un semi-conducteur ou un métal, migrant à travers le cristal et non associées au transfert de charge électrique et de masse.
Il est important de noter que ces quasi-particules sont très friandes de froid ; leur activité ne peut être observée qu'à des températures extrêmement basses, ce qui limite fortement leur application pratique. Mais ça c'était avant. Dans ce travail, les scientifiques ont pu surmonter la limitation de température et les utiliser à température ambiante.
La caractéristique principale des polaritons est la capacité de lier les photons les uns aux autres. Les photons entrant en collision avec des atomes de rubidium acquièrent une masse. Dans le processus de collisions multiples, les photons rebondissent les uns sur les autres, mais dans de rares cas, ils forment des paires et des triplets, tout en perdant la composante atomique représentée par l'atome de rubidium.
Mais pour faire quelque chose avec la lumière, il faut la capter. Pour cela, un résonateur optique est nécessaire, qui est une combinaison d'éléments réfléchissants qui forment une onde lumineuse stationnaire.
Dans cette étude, des quasi-particules encore plus inhabituelles, les excitons-polaritons, qui se forment en raison du fort couplage des excitons et des photons piégés dans une cavité optique, jouent un rôle crucial.
Cependant, cela ne suffit pas, car une base matérielle est nécessaire, pour ainsi dire. Et qui, sinon le dichalcogénure de métal de transition (TDM), jouera ce rôle mieux que d'autres. Plus précisément, une monocouche de WS2 (disulfure de tungstène) a été utilisée comme matériau émetteur, qui possède des énergies de liaison d'excitons impressionnantes, qui sont devenues l'un des principaux critères de choix d'une base de matériau.
La combinaison de tous les éléments décrits ci-dessus a permis de créer une LED à polariton commandée électriquement fonctionnant à température ambiante.
Pour mettre en œuvre ce dispositif, la monocouche WS2 est située entre de fines barrières tunnel de nitrure de bore hexagonal (hBN) avec des couches de graphène jouant le rôle d'électrodes.
Résultats de l'étude
WS2, étant un dichalcogénure de métal de transition, est également un matériau van der Waals (vdW) atomiquement mince. Cela indique ses propriétés électriques, optiques, mécaniques et thermiques uniques.
En combinaison avec d'autres matériaux vdW, tels que le graphène (en tant que conducteur) et le nitrure de bore hexagonal (hBN, en tant qu'isolant), toute une variété de dispositifs à semi-conducteurs à commande électrique, qui incluent des LED, peuvent être réalisés. Des combinaisons similaires de matériaux de van der Waals et de polaritons ont déjà été réalisées auparavant, comme le déclarent candidement les chercheurs. Cependant, dans les écrits précédents, les systèmes résultants étaient complexes et imparfaits, et ne révélaient pas le plein potentiel de chacun des composants.
L'une des idées inspirées par les prédécesseurs était l'utilisation d'une plate-forme matérielle bidimensionnelle. Dans ce cas, il est possible de mettre en œuvre des dispositifs avec des couches d'émission atomiquement minces qui peuvent être intégrées avec d'autres matériaux vdW agissant comme des contacts (graphène) et des barrières tunnel (hBN). De plus, cette bidimensionnalité permet de combiner des LED à polariton avec des matériaux vdW qui ont des propriétés magnétiques inhabituelles, une forte supraconductivité et/ou des transferts topologiques non standards. Grâce à une telle combinaison, vous pouvez obtenir un tout nouveau type d'appareil, dont les propriétés peuvent être très inhabituelles. Mais, comme le disent les scientifiques, c'est un sujet pour une autre étude.
Image #1
Sur l'image 1a montre un modèle tridimensionnel d'un appareil qui ressemble à un gâteau en couches. Le miroir supérieur du résonateur optique est une couche d'argent, et le miroir inférieur est un 12 couches réparties Réflecteur Bragg*. Il y a une zone de tunnel dans la région active.
Réflecteur de Bragg distribué* - une structure à plusieurs couches, dans laquelle l'indice de réfraction du matériau change périodiquement perpendiculairement aux couches.
La zone tunnel est constituée d'une hétérostructure vdW composée d'une monocouche WS2 (émetteur de lumière), de couches minces hBN de part et d'autre de la monocouche (barrière tunnel) et de graphène (électrodes transparentes pour l'introduction d'électrons et de trous).
Deux autres couches WS2 ont été ajoutées pour augmenter la force globale de l'oscillateur et donc pour avoir une division Rabi plus prononcée des états de polariton.
Le mode de fonctionnement du résonateur est réglé en modifiant l'épaisseur de la couche de PMMA (polyméthacrylate de méthyle, c'est-à-dire plexiglas).
Изображение 1b il s'agit d'un instantané d'une hétérostructure vdW à la surface d'un réflecteur de Bragg distribué. En raison de la réflectivité élevée du réflecteur de Bragg distribué, qui est la couche inférieure, la zone tunnel de l'image présente un contraste de réflexion très faible, de sorte que seule la couche épaisse supérieure de hBN est observée.
Calendrier 1с représente le diagramme de zone de l'hétérostructure vdW dans la géométrie du tunnel en déplacement. L'électroluminescence (EL) est observée au-dessus de la tension de seuil lorsque le niveau de Fermi du graphène supérieur (inférieur) est décalé au-dessus (en dessous) de la bande de conduction (valence) WS2, permettant à un électron (trou) de pénétrer dans la conduction WS2 (valence) groupe. Cela crée des conditions favorables à la formation d'excitons dans la couche WS2 suivie d'une recombinaison électron-trou radiative (radiative).
Contrairement aux émetteurs de lumière basés sur des jonctions pn, qui nécessitent un dopage pour fonctionner, l'EL des dispositifs tunnel dépend uniquement du courant tunnel, ce qui évite les pertes optiques et tout changement de résistivité causés par les changements de température. Dans le même temps, l'architecture tunnel permet une zone de rayonnement beaucoup plus grande par rapport aux dispositifs dichalcogénures basés sur des jonctions pn.
Изображение 1d démontre les caractéristiques électriques de la densité de courant tunnel (J) en fonction de la tension de polarisation (V) entre les électrodes de graphène. Une forte augmentation du courant à la fois pour la tension positive et négative indique l'apparition d'un courant tunnel à travers la structure. A l'épaisseur optimale des couches de hBN (~2 nm), un courant tunnel significatif et une augmentation de la durée de vie des porteurs implantés pour la recombinaison radiative sont observés.
Avant l'expérience d'électroluminescence, le dispositif a été caractérisé par la réflexion de la lumière blanche avec une résolution angulaire pour confirmer la présence d'une forte liaison d'excitons.
Image #2
Sur l'image 2a les spectres de réflectance à résolution angulaire de la région active du dispositif sont représentés, montrant un comportement anti-croisement. La photoluminescence (PL) a également été observée avec une excitation non résonnante (460 nm), montrant une émission intense de la branche inférieure du polariton et une émission plus faible de la branche supérieure du polariton (2b).
Sur 2с la dispersion de l'électroluminescence d'un polariton est représentée pour une insertion de 0.1 μA/μm2. La séparation de Rabi et le désaccord du résonateur obtenus en ajustant les modes de l'oscillateur (ligne blanche continue et pointillée) à l'expérience d'électroluminescence sont respectivement de ~33 meV et ~-13 meV. Le désaccord du résonateur est défini comme δ = Ec - Ex, où Ex est l'énergie de l'exciton et Ec est l'énergie du photon du résonateur avec une impulsion dans le plan nulle. Calendrier 2d il s'agit d'une coupe à différents angles de la dispersion électroluminescente. Ici, on peut clairement voir la dispersion des modes de polariton supérieur et inférieur avec un anticroisement se produisant dans la zone de résonance de l'exciton.
Image #3
Lorsque le courant tunnel augmente, l'intensité EL totale augmente. Un EL faible des polaritons est observé près du biais de seuil (3a), tandis qu'à un décalage suffisamment important au-dessus du seuil, l'émission de polaritons devient distincte (3b).
Sur l'image 3с montre un graphique polaire de l'intensité EL en fonction de l'angle, représentant un cône d'émission étroit de ± 15°. Le diagramme de rayonnement reste pratiquement inchangé pour le courant d'excitation minimum (courbe verte) et maximum (courbe orange). Sur 3d l'intensité intégrée est indiquée pour divers courants de tunnel en mouvement, ce qui, comme on peut le voir sur le graphique, est assez linéaire. Par conséquent, l'augmentation du courant à des valeurs élevées peut conduire à une diffusion réussie des polaritons le long de la branche inférieure et créer un diagramme de rayonnement extrêmement étroit en raison de la génération de polaritons. Cependant, dans cette expérience, cela n'a pas été possible en raison de la limitation associée à la rupture diélectrique de la barrière tunnel hBN.
points rouges sur 3d afficher les mesures d'un autre indicateur - externe efficacité quantique*.
Efficacité quantique* est le rapport du nombre de photons dont l'absorption a provoqué la formation de quasi-particules au nombre total de photons absorbés.
L'efficacité quantique observée est comparable à celle des autres LED à polaritons (à base de matériaux organiques, tubes de carbone, etc.). Il convient de noter que l'épaisseur de la couche électroluminescente dans le dispositif à l'étude n'est que de 0.7 nm, alors que dans d'autres dispositifs, cette valeur est beaucoup plus élevée. Les scientifiques ne cachent pas que l'indice d'efficacité quantique de leur appareil n'est pas le plus élevé, mais il peut être augmenté en plaçant un plus grand nombre de monocouches à l'intérieur de la zone tunnel, séparées par de fines couches de hBN.
Les chercheurs ont également testé l'influence du désaccord du résonateur sur la EL du polariton en fabriquant un autre dispositif, mais avec un désaccord plus fort (-43 meV).
Image #4
Sur l'image 4a Les spectres EL sont représentés avec une résolution angulaire d'un tel dispositif à une densité de courant de 0.2 μA/μm2. En raison du fort désaccord, l'appareil présente un effet de goulot d'étranglement prononcé dans l'EL avec un maximum d'émission se produisant à un grand angle. Ceci est encore confirmé dans l'image. 4b, où les tracés polaires de cet appareil sont comparés au premier (2с).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder .
Le final
Ainsi, toutes les observations et mesures décrites ci-dessus confirment la présence d'électroluminescence polaritonique dans une hétérostructure vdW noyée dans une microcavité optique. L'architecture tunnel du dispositif étudié assure l'introduction d'électrons/trous et la recombinaison dans la monocouche WS2, qui sert d'émetteur de lumière. Il est important que le mécanisme tunnel de l'appareil ne nécessite pas d'alliage de composants, ce qui minimise les pertes et les divers changements liés à la température.
Il a été constaté que l'EL a une directivité élevée en raison de la dispersion du résonateur. Par conséquent, l'amélioration du facteur de qualité du résonateur et une alimentation en courant plus élevée amélioreront l'efficacité des LED à microcavité, ainsi que des polaritons à microcavité et des lasers à photons à commande électrique.
Ces travaux ont une fois de plus confirmé que les dichalcogénures de métaux de transition ont des propriétés vraiment uniques et une très large gamme d'applications.
Ces recherches et inventions innovantes peuvent grandement influencer le développement et la diffusion des technologies de transmission de données via les LED et la lumière elle-même. Ces technologies futuristes incluent le Li-Fi, qui peut fournir des vitesses nettement plus rapides que le Wi-Fi actuellement disponible.
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Source: habr.com