Depuis de nombreuses années, des scientifiques du monde entier s'attaquent à deux défis : inventer et perfectionner. Parfois, il est difficile de dire ce qui est le plus compliqué. Prenons l'exemple des diodes électroluminescentes, qui nous semblent si simples et banales que nous n'y prêtons pas attention. Mais si l'on y ajoute un peu d'excitons, une pincée de polaritons et du disulfure de tungstène à sa guise, ces diodes ne seront plus si prosaïques. Tous ces termes étranges désignent des composants extrêmement atypiques, dont la combinaison a permis à des chercheurs du City College de New York de créer un nouveau système capable de transmettre des informations à une vitesse extrêmement élevée grâce à la lumière. Cette avancée contribuera à perfectionner la technologie Li-Fi. Quels ingrédients ont été utilisés dans cette nouvelle technologie, quelle est la recette de ce « plat » et quelle est l'efficacité du nouveau LED exciton-polariton ? C'est ce que vont nous révéler les chercheurs. Allons-y.
Fondement de l'étude
Pour simplifier, cette technologie c'est la lumière et tout ce qui y est associé. Tout d'abord, les polaritons, qui apparaissent lors de l'interaction des photons avec des excitations du milieu (phonons, excitons, plasmones, magnons, etc.). Ensuite, les excitons - une excitation électronique dans un diélectrique, un semi-conducteur ou un métal, migrante à travers le cristal et non associée au transfert de charge et de masse électriques.
Il est important de noter que ces quasiparticules aiment le froid, c'est-à-dire que leur activité ne peut être observée qu'à des températures extrêmement basses, ce qui limite considérablement leur application pratique. Mais c'était auparavant. Dans ce travail, les scientifiques ont réussi à surmonter la limitation thermique et à les utiliser à température ambiante.
La caractéristique principale des polaritons est leur capacité à lier les photons entre eux. Les photons qui entrent en collision avec des atomes de rubidium acquièrent une masse. Au cours de multiple collisions, les photons se repoussent, mais dans de rares cas, ils forment des paires et des triplets, tout en perdant la composante atomique représentée par l'atome de rubidium.
Cependant, pour agir sur la lumière, il faut d'abord la capturer. C'est là qu'intervient le résonateur optique, une combinaison d'éléments réfléchissants qui forme une onde stationnaire de lumière.
Dans cette recherche, un rôle crucial est joué par des quasiparticules encore plus étranges — les exciton-polaritons, qui se forment grâce à une forte liaison entre les excitons et les photons capturés dans le résonateur optique.
Cependant, cela ne suffit pas, car il faut une base matérielle, si l'on peut dire. Et qui mieux que les dichalcogénures de métaux transitionnels (DPM) peut jouer ce rôle ? Plus précisément, le matériau émetteur utilisé était un monocouche de WS2 (disulfure de tungstène), qui possède des énergies de liaison des excitons impressionnantes, ce qui a constitué un des critères principaux pour le choix de la base matérielle.
L'ensemble de tous les éléments décrits ci-dessus a permis de créer une diode polarisante contrôlée électriquement, fonctionnant à température ambiante.
Pour réaliser cet appareil, le monocouche de WS2 est situé entre de minces barrières de tunnel hexagonales en nitrure de bore (hBN), les couches de graphène servant d'électrodes.
Résultats de l'étude
WS2, étant un dichalcogénure de métal transitionnel, est également un matériau atomiquement mince de Van der Waals (vdW). Cela témoigne de ses propriétés électriques, optiques, mécaniques et thermiques uniques.
Combiner avec d'autres matériaux vdW, tels que le graphène (en tant que conducteur) et le nitrure hexagonal de bore (hBN, en tant qu'isolant), permet de mettre en œuvre une multitude de dispositifs semi-conducteurs contrôlés électriquement, y compris des diodes. De telles combinaisons de matériaux de Van der Waals et de polaritons ont déjà été mises en œuvre précédemment, comme l'affirment ouvertement les chercheurs. Cependant, dans les travaux antérieurs, les systèmes obtenus étaient complexes et imparfaits, et n'exploitaient pas tout le potentiel de chaque composant.
L'une des idées qui a inspiré les précédents est l'utilisation d'une plateforme matérielle bidimensionnelle. Dans ce cas, il est possible de réaliser des dispositifs avec des couches d'émission atomiquement minces, qui peuvent être intégrés avec d'autres matériaux vdW servant de contacts (graphène) et de barrières de tunnel (hBN). De plus, cette bidimensionnalité permet de combiner des diodes luminescentes polaritoniques avec des matériaux vdW ayant des propriétés magnétiques singulières, une forte supraconductivité et/ou des transferts topologiques non standard. En conséquence de cette intégration, il est possible d'obtenir un tout nouveau type de dispositif dont les propriétés peuvent être très atypiques. Mais, comme disent les scientifiques, c'est un sujet pour une autre étude.
Image n°1
Sur l'image 1a une modélisation tridimensionnelle du dispositif, qui ressemble à un gâteau en couches. La couche supérieure du résonateur optique est en argent, tandis que la couche inférieure est un miroir distribué de 12 couches réflecteur de Bragg*. Dans la zone active, il y a une zone de tunnel.
Réflecteur de Bragg distribué* — une structure composée de plusieurs couches, dans laquelle l'indice de réfraction du matériau change périodiquement perpendiculairement aux couches.
La zone de tunnel est constituée d'une hétérostructure vdW composée d'une monocouche de WS2 (émetteur de lumière), de fines couches de hBN de chaque côté de la monocouche (barrière de tunnel) et de graphène (électrodes transparentes pour l'injection d'électrons et de trous).
Deux couches de WS2 ont été ajoutées pour augmenter la puissance totale du générateur et, par conséquent, pour un meilleur découpage des états polaritoniques de Rabi.
Le mode de fonctionnement du résonateur est ajusté en modifiant l'épaisseur de la couche de PMMA (polyméthacrylate de méthyle, c'est-à-dire acrylique).
L'image 1b c'est une image de l'hétérostructure vdW sur la surface d'un réflecteur de Bragg distribué. En raison de la haute capacité de réflexion du réflecteur de Bragg distribué, qui forme la couche inférieure, la zone de tunnel sur l'image a un contraste de réflexion très bas, de sorte que seule la couche supérieure épaisse de hBN est visible.
Graphique 1C représente une zone de diagramme vdW d'hétérostructure en géométrie de tunnel lors du décalage. L'électroluminescence (EL) est observée au-dessus d'une tension seuil, lorsque le niveau de Fermi du graphène supérieur (inférieur) est décalé au-dessus (en dessous) de la zone de conduction (valence) du WS2, permettant à l'électron (trou) de tunneliser dans la zone de conduction (valence) du WS2. Cela crée des conditions favorables à la formation d'excitons dans la couche de WS2 avec une recombinaison radiative (émettrice) électron-trou.
Contrairement aux émetteurs à base de jonctions p-n, qui nécessitent un dopage pour fonctionner, l'EL des dispositifs à tunnel dépend exclusivement du courant de tunnel, ce qui permet d'éviter les pertes optiques et toute variation de la résistivité spécifique due aux changements de température. En même temps, l'architecture à tunnel permet une zone d'émission beaucoup plus grande par rapport aux dispositifs à base de jonctions p-n de dichalcogénides.
L'image 1d démontre les caractéristiques électriques de la densité du courant de tunnel (J) en fonction de la tension de décalage (V) entre les électrodes de graphène. Une augmentation brusque du courant pour des tensions positives et négatives indique la formation d'un courant de tunnel à travers la structure. Avec une épaisseur optimale des couches d'hBN (~2 nm), un courant de tunnel significatif est observé et une augmentation de la durée de vie des porteurs injectés pour la recombinaison émettrice.
Avant de procéder à l'expérimentation électroluminescente, un caractérisation de l'appareil a été réalisée en mesurant la réflectivité de la lumière blanche avec une résolution angulaire pour confirmer la forte liaison des excitons.
Image n°2
Sur l'image 2a montrent les spectres de réflectivité avec résolution angulaire de la zone active de l'appareil, démontrant un comportement empêchant l'intersection. Une photoluminescence (PL) a également été observée sous excitation hors-résonance (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 2c la dispersion de l'électroluminescence des polaritons est montrée pour une injection de 0,1 µA/m². La séparation de Rabi et le décalage du résonateur, obtenus par l'ajustement des modes de l'oscillateur (ligne blanche continue et pointillée) à l'expérience d'électroluminescence, sont respectivement d'environ 33 meV et -13 meV. Le décalage du résonateur est défini comme δ = Ec − Ex, où Ex est l'énergie de l'exciton, et Ec représente l'énergie du photon du résonateur avec une impulsion nulle dans le plan. Graphique 2d il s'agit d'une coupe sous différents angles de la dispersion électroluminescente. La dispersion des modes de polariton supérieur et inférieur, avec une antécroisement se produisant dans la zone de résonance des excitons, est bien visible ici.
Image n°3
À mesure que le courant de tunneling augmente, l'intensité totale de l'ÉL augmente. Une faible ÉL provenant des polaritons est observée près du seuil de déplacement (3a), tandis qu'à un déplacement suffisamment élevé au-dessus du seuil, l'émission de polaritons devient distincte (3b).
Sur l'image 3c un graphique polaire de l'intensité de l'ÉL en fonction de l'angle, montrant un cône d'émission étroit de ± 15°. Le diagramme de rayonnement reste pratiquement inchangé tant pour le courant d'excitation minimal (courbe verte) que maximal (courbe orange). Sur 3d l'intensité intégrée est montrée pour divers courants de tunneling en mouvement, qui, comme l'indique le graphique, est suffisamment linéaire. Ainsi, 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 pu être réalisé en raison d'une limitation liée à la défaillance diélectrique de la barrière de tunneling hBN.
Les points rouges sur 3d indiquent les mesures d'un autre paramètre — l'efficacité quantique externe* Efficacité quantique*.
— le rapport du nombre de photons dont l'absorption a entraîné la formation de quasi-particules au nombre total de photons absorbés. L'efficacité quantique*
L'efficacité quantique observée est comparable à celle des autres diodes électroluminescentes polaritoniques (basées sur des matériaux organiques, des nanotubes de carbone, etc.). Il convient de noter que dans le dispositif étudié, l'épaisseur de la couche émettrice de lumière n'est que de 0,7 nm, alors que pour d'autres dispositifs, cette valeur est beaucoup plus élevée. Les chercheurs ne cachent pas que leur appareil n'a pas le plus haut rendement quantique, mais il est possible d'augmenter ce rendement en plaçant un plus grand nombre de monocouches dans la zone de tunnel, séparées par de fines couches de hBN.
Les chercheurs ont également examiné l'influence de la perturbation du résonateur sur l'ÉL du polaritone, en fabriquant un autre dispositif, mais avec une perturbation plus forte (- 43 meV).
Image n°4
Sur l'image 4a les spectres de l'ÉL avec une résolution angulaire de ce dispositif à une densité de courant de 0,2 µA/µm². En raison de la forte perturbation, le dispositif présente un effet d'effet de goulot d'étranglement marqué dans l'ÉL, avec un maximum d'émission se produisant à un angle élevé. Cela est également corroboré par l'image 4b, où les diagrammes polaires de ce dispositif sont comparés au premier (2c).
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le .
Épilogue
Ainsi, toutes les observations et mesures décrites ci-dessus confirment la présence de luminescence électroluminescente polaritoniques dans une hétérostructure vdW intégrée dans un micro-résonateur optique. L'architecture de tunnel du dispositif étudié permet l'injection d'électrons/trous et la recombinaison dans la monocouche WS2, qui sert de émetteur de lumière. Il est important de noter que le mécanisme de tunnel du dispositif ne nécessite pas de dopage des composants, ce qui réduit au minimum les pertes et les diverses modifications liées à la température.
Il a été établi que l'ÉL a une forte directionnalité grâce à la dispersion du résonateur. Par conséquent, l'amélioration de la qualité du résonateur et un courant de plus forte intensité permettront d'augmenter l'efficacité des diodes électroluminescentes à micro-résonateur, ainsi que des polaritons à micro-résonateur contrôlés électriquement et des lasers photoniques.
Ce travail a encore une fois confirmé que les dichalcogénures de métaux de transition possèdent des propriétés vraiment uniques et un large éventail d'applications.
Des recherches similaires et des inventions novatrices peuvent avoir un impact significatif sur le développement et la diffusion des technologies de transmission de données par le biais des diodes électroluminescentes et de la lumière elle-même. Parmi ces technologies futuristes, on trouve le Li-Fi, qui peut offrir une vitesse bien supérieure à celle du Wi-Fi actuel.
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Source : habr.com
