Durante moitos anos, os científicos de todo o mundo estiveron facendo dúas cousas: inventar e mellorar. E ás veces non está claro cal deles é máis difícil. Tomemos, por exemplo, os LED normais, que nos parecen tan sinxelos e ordinarios que non lles prestamos atención. Pero se engades algúns excitóns, un chisco de polaritón e disulfuro de wolframio ao gusto, os LED xa non serán tan prosaicos. Todos estes termos abstrusos son os nomes de compoñentes extremadamente pouco comúns, cuxa combinación permitiu aos científicos do City College de Nova York crear un novo sistema que pode transmitir información de forma extremadamente rápida usando a luz. Este desenvolvemento axudará a mellorar a tecnoloxía Li-Fi. Cales foron exactamente os ingredientes da nova tecnoloxía utilizada, cal é a receita deste "prato" e cal é a eficiencia do novo LED exciton-polariton? O informe dos científicos falaranos diso. Vaia.
Base de investigación
Se todo se simplifica nunha palabra, entón esta tecnoloxía é lixeira e todo o relacionado con ela. En primeiro lugar, os polaritóns, que xorden cando os fotóns interactúan con excitacións medias (fonóns, excitóns, plasmóns, magnons, etc.). En segundo lugar, os excitóns son excitación electrónica nun dieléctrico, semicondutor ou metal, que migran a través do cristal e non están asociados á transferencia de carga e masa eléctricas.
É importante ter en conta que a estas cuasipartículas lles gusta moito o frío; a súa actividade só se pode observar a temperaturas extremadamente baixas, o que limita severamente a súa aplicación práctica. Pero iso era antes. Neste traballo, os científicos puideron superar a limitación da temperatura e utilizalos a temperatura ambiente.
A principal característica dos polaritóns é a capacidade de unirse fotóns entre si. Os fotóns que chocan cos átomos de rubidio adquiren masa. No proceso de colisións múltiples, os fotóns rebotan entre si, pero en casos raros forman pares e trillizos, mentres perden a compoñente atómica representada polo átomo de rubidio.
Pero para facer algo coa luz, hai que collela. Para iso, é necesario un resonador óptico, que é unha combinación de elementos reflectores que forman unha onda de luz estacionaria.
Neste estudo, as cuasipartículas aínda máis pouco habituais, os excitóns polaritóns, que se forman debido ao forte acoplamento de excitóns e fotóns atrapados nunha cavidade óptica, xogan un papel crucial.
Non obstante, isto non é suficiente, porque é necesaria unha base material, por así dicilo. E quen, se non o dicalcoxenuro de metal de transición (TDM), desempeñará este papel mellor que outros. Para ser máis precisos, utilizouse como material emisor unha monocapa de WS2 (disulfuro de wolframio), que ten unhas impresionantes enerxías de unión de excitóns, que se converteu nun dos principais criterios para escoller unha base de material.
A combinación de todos os elementos descritos anteriormente permitiu crear un LED polaritón controlado eléctricamente que funciona a temperatura ambiente.
Para implementar este dispositivo, a monocapa WS2 sitúase entre barreiras de túnel de nitruro de boro hexagonal (hBN) con capas de grafeno que actúan como electrodos.
Resultados da investigación
O WS2, sendo un dicalcoxenuro de metal de transición, tamén é un material de van der Waals (vdW) atómicamente fino. Isto indica as súas propiedades únicas eléctricas, ópticas, mecánicas e térmicas.
En combinación con outros materiais vdW, como o grafeno (como condutor) e o nitruro de boro hexagonal (hBN, como illante), pódense realizar toda unha variedade de dispositivos semicondutores controlados eléctricamente, que inclúen LED. Combinacións similares de materiais de van der Waals e polaritóns xa se realizaron antes, como afirman os investigadores con franqueza. Porén, en escritos anteriores, os sistemas resultantes eran complexos e imperfectos, e non revelaban todo o potencial de cada un dos compoñentes.
Unha das ideas inspiradas nos predecesores foi o uso dunha plataforma de material bidimensional. Neste caso, é posible implementar dispositivos con capas de emisión atómicamente finas que se poden integrar con outros materiais vdW actuando como contactos (grafeno) e barreiras de túnel (hBN). Ademais, esta bidimensionalidade permite combinar LED polariton con materiais vdW que teñen propiedades magnéticas pouco habituais, forte supercondutividade e/ou transferencias topolóxicas non estándar. Como resultado desta combinación, pode obter un tipo de dispositivo completamente novo, cuxas propiedades poden ser moi pouco comúns. Pero, como din os científicos, este é un tema para outro estudo.
Imaxe #1
Na imaxe 1 mostra un modelo tridimensional dun dispositivo que se asemella a unha torta de capas. O espello superior do resonador óptico é unha capa de prata, e o inferior é unha capa de 12 distribuídas. reflector Bragg*. Hai unha zona de túneles na rexión activa.
Reflector Bragg distribuído* - unha estrutura de varias capas, na que o índice de refracción do material cambia periodicamente perpendicularmente ás capas.
A zona do túnel consta dunha heteroestrutura vdW formada por unha monocapa WS2 (emisor de luz), capas finas de hBN a ambos os dous lados da monocapa (barrera do túnel) e grafeno (electrodos transparentes para a introdución de electróns e buratos).
Engadíronse dúas capas WS2 máis para aumentar a forza global do oscilador e, polo tanto, ter unha división Rabi máis pronunciada dos estados polaritóns.
O modo de funcionamento do resonador sintonízase cambiando o grosor da capa de PMMA (metacrilato de polimetilo, é dicir, plexiglás).
Изображение 1b esta é unha instantánea dunha heteroestrutura vdW na superficie dun reflector Bragg distribuído. Debido á alta reflectividade do reflector Bragg distribuído, que é a capa inferior, a zona do túnel da imaxe ten un contraste de reflexión moi baixo, polo que só se observa a capa grosa superior de hBN.
Programar 1s representa o diagrama de zonas da heteroestrutura vdW na xeometría do túnel baixo desprazamento. A electroluminiscencia (EL) obsérvase por riba da tensión limiar cando o nivel de Fermi do grafeno superior (inferior) desprázase por riba (abaixo) da banda de condución (valencia) WS2, permitindo que un electrón (burato) entre na condución (valencia) de WS2. banda. Isto crea condicións favorables para a formación de excitóns na capa WS2 seguida da recombinación radiativa (radiativa) electrón-buraco.
A diferenza dos emisores de luz baseados en unións pn, que requiren dopaxe para funcionar, o EL dos dispositivos do túnel depende únicamente da corrente do túnel, o que evita as perdas ópticas e calquera cambio de resistividade causado polos cambios de temperatura. Ao mesmo tempo, a arquitectura do túnel permite unha área de radiación moito maior en comparación cos dispositivos de dicalcoxenuro baseados en unións pn.
Изображение 1d demostra as características eléctricas da densidade de corrente de túnel (J) en función da tensión de polarización (V) entre electrodos de grafeno. Un aumento brusco da corrente tanto para a tensión positiva como para a negativa indica a aparición dunha corrente de túnel a través da estrutura. No espesor óptimo das capas de hBN (~2 nm), obsérvase unha corrente de túnel importante e un aumento da vida útil dos portadores implantados para a recombinación radiativa.
Antes do experimento de electroluminiscencia, o dispositivo caracterizábase pola reflectancia da luz branca con resolución angular para confirmar a presenza dunha forte unión de excitóns.
Imaxe #2
Na imaxe 2 móstranse os espectros de reflectancia resolto por ángulo da rexión activa do dispositivo, mostrando un comportamento anticruzamento. Tamén se observou fotoluminiscencia (PL) con excitación non resonante (460 nm), mostrando unha emisión intensa desde a rama inferior do polaritón e unha emisión máis débil dende a rama superior do polaritón.2b).
En 2s móstrase a dispersión da electroluminiscencia dun polaritón para unha inserción de 0.1 μA/μm2. A división de Rabi e a desafinación do resonador obtidas ao axustar os modos do oscilador (liña branca continua e punteada) ao experimento de electroluminiscencia son ～33 meV e ～-13 meV, respectivamente. A desafinación do resonador defínese como δ = Ec − Ex, onde Ex é a enerxía do excitón e Ec é a enerxía do fotón do resonador con momento cero no plano. Horario 2d é un corte en ángulos diferentes da dispersión electroluminiscente. Aquí pódese ver claramente a dispersión dos modos de polaritón superior e inferior con anticruzamento que ocorre na zona de resonancia do excitón.
Imaxe #3
A medida que aumenta a corrente de túnel, a intensidade total EL aumenta. Obsérvase EL débil dos polaritóns preto do sesgo do limiar (3), mentres que a un desprazamento suficientemente grande por riba do limiar, a emisión de polaritón faise distinta (3b).
Na imaxe 3s mostra unha gráfica polar da intensidade EL en función do ángulo, representando un cono de emisión estreito de ± 15°. O patrón de radiación permanece practicamente inalterado tanto para a corrente de excitación mínima (curva verde) como para a máxima (curva laranxa). Activado 3d a intensidade integrada móstrase para varias correntes de túnel en movemento, que, como se pode ver na gráfica, é bastante lineal. Polo tanto, aumentar a corrente a altos valores pode levar a unha dispersión exitosa de polaritóns ao longo da rama inferior e crear un patrón de radiación extremadamente estreito debido á xeración de polaritóns. Non obstante, neste experimento, isto non foi posible debido á limitación asociada á ruptura dieléctrica da barreira do túnel hBN.
puntos vermellos 3d mostrar as medidas doutro indicador - externo eficiencia cuántica*.
Eficiencia cuántica* é a relación entre o número de fotóns cuxa absorción provocou a formación de cuasipartículas e o número total de fotóns absorbidos.
A eficiencia cuántica observada é comparable á doutros LED polariton (baseados en materiais orgánicos, tubos de carbono, etc.). Hai que ter en conta que o grosor da capa emisora de luz no dispositivo obxecto de estudo é de só 0.7 nm, mentres que noutros dispositivos este valor é moito maior. Os científicos non ocultan o feito de que o índice de eficiencia cuántica do seu dispositivo non é o máis alto, pero pódese aumentar colocando un maior número de monocapas dentro da zona do túnel, separadas por capas finas de hBN.
Os investigadores tamén probaron a influencia da desafinación do resonador no polaritón EL facendo outro dispositivo, pero cunha desafinación máis forte (-43 meV).
Imaxe #4
Na imaxe 4 Os espectros EL móstranse cunha resolución angular deste dispositivo cunha densidade de corrente de 0.2 μA/μm2. Debido á forte desafinación, o dispositivo presenta un pronunciado efecto de pescozo de botella no EL cun máximo de emisión que ocorre nun gran ángulo. Isto confírmase aínda máis na imaxe. 4b, onde se comparan os gráficos polares deste dispositivo co primeiro (2s).
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar .
Epílogo
Así, todas as observacións e medicións anteriores confirman a presenza de electroluminiscencia polaritón nunha heteroestrutura vdW incrustada nunha microcavidade óptica. A arquitectura de túnel do dispositivo en estudo garante a introdución de electróns/buratos e recombinación na monocapa WS2, que serve como emisor de luz. É importante que o mecanismo do túnel do dispositivo non requira a aliaxe de compoñentes, o que minimiza as perdas e varios cambios relacionados coa temperatura.
Descubriuse que o EL ten unha alta directividade debido á dispersión do resonador. Polo tanto, mellorar o factor de calidade do resonador e unha maior subministración de corrente mellorará a eficiencia dos LED de microcavidade, así como dos polaritóns de microcavidade controlados eléctricamente e os láseres de fotóns.
Este traballo confirmou unha vez máis que os dicalcoxenuros de metais de transición teñen propiedades verdadeiramente únicas e un abano de aplicacións moi amplo.
Tales investigacións e inventos innovadores poden influír moito no desenvolvemento e difusión das tecnoloxías de transmisión de datos a través dos LED e da propia luz. Tales tecnoloxías futuristas inclúen Li-Fi, que pode proporcionar velocidades significativamente máis rápidas que as Wi-Fi dispoñibles actualmente.
Grazas pola vosa atención, manteña a curiosidade e que teñades unha boa semana a todos! 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com