Već dugi niz godina znanstvenici iz cijelog svijeta rade dvije stvari - izumljuju i poboljšavaju. A ponekad nije jasno što je teže. Uzmimo za primjer obične LED diode koje nam se čine toliko jednostavnima i običnima da na njih niti ne obraćamo pozornost. Ali ako dodate nekoliko ekscitona, prstohvat polaritona i volframov disulfid po ukusu, LED diode više neće biti tako prozaične. Svi ovi nejasni pojmovi nazivi su krajnje neobičnih komponenti čija je kombinacija omogućila znanstvenicima s City Collegea u New Yorku da stvore novi sustav sposoban iznimno brzo prenositi informacije pomoću svjetlosti. Ovaj će razvoj pomoći poboljšati Li-Fi tehnologiju. Koji su točno sastojci nove tehnologije korišteni, koji je recept za ovo “jelo” i kolika je učinkovitost rada nove eksciton-polaritonske LED diode? O tome će nam reći izvješće znanstvenika. Ići.
Osnova istraživanja
Ako sve pojednostavimo u jednu riječ, onda je ova tehnologija light i sve što je povezano s njom. Prvo, polaritoni, koji nastaju kada fotoni stupaju u interakciju s ekscitacijama medija (fononi, ekscitoni, plazmoni, magnoni itd.). Drugo, ekscitoni su elektronska pobuđenja u dielektriku, poluvodiču ili metalu koja migriraju kroz kristal i nisu povezana s prijenosom električnog naboja i mase.
Važno je napomenuti da ove kvazičestice jako vole hladnoću, tj. Njihova se aktivnost može promatrati samo pri ekstremno niskim temperaturama, što uvelike ograničava njihovu praktičnu primjenu. Ali to je bilo prije. U ovom su radu znanstvenici uspjeli prevladati temperaturna ograničenja i koristiti ih na sobnim temperaturama.
Glavna značajka polaritona je sposobnost međusobnog vezanja fotona. Fotoni u sudaru s atomima rubidija dobivaju masu. U procesu ponovljenih sudara fotoni se međusobno odbijaju, ali u rijetkim slučajevima formiraju parove i trojke, pri čemu gube atomsku komponentu koju predstavlja atom rubidija.
Ali da biste nešto učinili sa svjetlom, morate ga uhvatiti. Za to je potreban optički rezonator, koji je skup reflektirajućih elemenata koji tvore stojeći svjetlosni val.
U ovom istraživanju najvažniju ulogu igraju još neobičnije kvazičestice - eksciton-polaritoni, koji nastaju uslijed snažnog sprezanja ekscitona i fotona zarobljenih u optičkoj šupljini.
No, to nije dovoljno, jer je potrebna, da tako kažem, materijalna osnova. A tko će bolje od dihalkogenida prijelaznog metala (TMD) igrati ovu ulogu? Točnije, kao emitirajući materijal korišten je monosloj WS2 (volfram disulfid) koji ima impresivne energije vezanja ekscitona, što je postalo jedan od glavnih kriterija za odabir materijalne baze.
Kombinacija svih gore opisanih elemenata omogućila je stvaranje električno kontrolirane polaritonske LED diode koja radi na sobnoj temperaturi.
Da bi se realizirao ovaj uređaj, jednoslojni sloj WS2 umetnut je između tankih šesterokutnih tunelskih barijera od bor nitrida (hBN) sa slojevima grafena koji djeluju kao elektrode.
Rezultati istraživanja
WS2, budući da je dihalkogenid prijelaznog metala, također je atomski tanak van der Waalsov (vdW) materijal. To govori o njegovim jedinstvenim električnim, optičkim, mehaničkim i toplinskim svojstvima.
U kombinaciji s drugim vdW materijalima, kao što su grafen (kao vodič) i heksagonalni borov nitrid (hBN, kao izolator), može se realizirati cijeli niz električnim upravljanih poluvodičkih uređaja, koji uključuju LED diode. Slične kombinacije van der Waalsovih materijala i polaritona već su ranije ostvarene, kako istraživači otvoreno navode. Međutim, u prijašnjim radovima, rezultirajući sustavi bili su složeni i nesavršeni, te nisu otkrili puni potencijal svake komponente.
Jedna od ideja koja je inspirirana prethodnicima bila je uporaba dvodimenzionalne materijalne platforme. U ovom slučaju moguće je realizirati uređaje s atomski tankim emisionim slojevima, koji se mogu integrirati s drugim vdW materijalima koji djeluju kao kontakti (grafen) i tunelske barijere (hBN). Osim toga, takva dvodimenzionalnost omogućuje kombiniranje polaritonskih LED dioda s vdW materijalima koji imaju neobična magnetska svojstva, jaku supravodljivost i/ili nestandardne topološke prijenose. Kao rezultat takve kombinacije može se dobiti potpuno novi tip uređaja, čija svojstva mogu biti prilično neobična. No, kako kažu znanstvenici, to je tema za neko drugo istraživanje.
Slika #1
Na slici 1a prikazuje trodimenzionalni model uređaja koji nalikuje slojevitom kolaču. Gornje zrcalo optičkog rezonatora je sloj srebra, a donje zrcalo je 12-slojno raspoređeno Braggov reflektor*. Aktivno područje sadrži zonu tunela.
Distribuirani Braggov reflektor* - struktura od nekoliko slojeva u kojoj se indeks loma materijala povremeno mijenja okomito na slojeve.
Zona tunela sastoji se od vdW heterostrukture koja se sastoji od WS2 monosloja (emiter svjetlosti), tankih slojeva hBN s obje strane monosloja (tunelska barijera) i grafena (prozirne elektrode za uvođenje elektrona i rupa).
Dodana su još dva sloja WS2 kako bi se povećala ukupna snaga oscilatora i stoga proizvelo izraženije Rabijevo cijepanje polaritonskih stanja.
Režim rada rezonatora podešava se promjenom debljine sloja PMMA (polimetil metakrilata, tj. pleksiglasa).
Изображение 1b Ovo je snimka vdW heterostrukture na površini raspodijeljenog Braggovog reflektora. Zbog visoke refleksije distribuiranog Braggovog reflektora, koji je donji sloj, zona tunela na slici ima vrlo nizak kontrast refleksije, što rezultira promatranjem samo gornjeg debelog hBN sloja.
Raspored 1s predstavlja dijagram vdW zone heterostrukture u geometriji tunela pod pomakom. Elektroluminiscencija (EL) se opaža iznad napona praga kada je Fermijeva razina gornjeg (donjeg) grafena pomaknuta iznad (ispod) vodljivog (valentnog) pojasa WS2, dopuštajući elektronu (rupi) da tunelira u vodljivi (valentni) pojas. pojas od WS2. To stvara povoljne uvjete za stvaranje ekscitona u sloju WS2 s naknadnom radijativnom (zračećom) rekombinacijom elektron-rupa.
Za razliku od pn spojnih svjetlosnih emitera, koji zahtijevaju doping za rad, EL iz tunelskih uređaja ovisi isključivo o tunelskoj struji, izbjegavajući optičke gubitke i sve promjene u otporu uzrokovane temperaturnim promjenama. U isto vrijeme, tunelska arhitektura omogućuje puno veće područje emisije u usporedbi s dihalkogenidnim uređajima temeljenim na pn spojevima.
Изображение 1d demonstrira električne karakteristike gustoće tunelske struje (J) kao funkcija prednapona (V) između grafenskih elektroda. Oštar porast struje i za pozitivne i za negativne napone ukazuje na pojavu tunelske struje kroz strukturu. Pri optimalnoj debljini slojeva hBN (~2 nm), uočena je značajna struja tuneliranja i produljenje životnog vijeka ugrađenih nositelja radijacijske rekombinacije.
Prije izvođenja eksperimenta elektroluminiscencije, uređaj je karakteriziran refleksijom bijele svjetlosti pod kutom kako bi se potvrdila prisutnost snažnog ekscitonskog sprezanja.
Slika #2
Na slici 2a Prikazani su kutno razlučni spektri refleksije iz aktivnog područja uređaja, pokazujući ponašanje protiv križanja. Fotoluminiscencija (PL) također je opažena pod nerezonantnom ekscitacijom (460 nm), pokazujući intenzivnu emisiju iz donje polaritonske grane i slabiju emisiju iz gornje polaritonske grane (2b).
Na 2s prikazuje disperziju elektroluminiscencije polaritona pri brzini ubrizgavanja od 0.1 μA/μm2. Rabijevo cijepanje i ugađanje šupljine dobiveni prilagođavanjem modova oscilatora (puna i isprekidana bijela linija) EL eksperimentu su ～33 meV odnosno ～-13 meV. Rasklapanje šupljine definirano je kao δ = Ec − Ex, gdje je Ex energija ekscitona, a Ec označava energiju fotona šupljine bez zamaha u ravnini. Raspored 2d Ovo je rez pod različitim kutovima od elektroluminiscentne disperzije. Ovdje je jasno vidljiva disperzija gornjeg i donjeg polaritonskog moda s anticrossingom koji se javlja u zoni ekscitonske rezonancije.
Slika #3
Kako se struja tunela povećava, ukupni intenzitet EL raste. Slab EL od polaritona uočen je blizu pomaka praga (3a), dok pri dovoljno velikom pomaku iznad praga, emisija polaritona postaje jasna (3b).
Na slici 3s prikazuje polarni dijagram EL intenziteta kao funkciju kuta, prikazujući uski emisijski stožac od ±15°. Uzorak zračenja ostaje gotovo nepromijenjen za minimalnu (zelena krivulja) i maksimalnu (narančasta krivulja) struju pobude. Na 3d prikazuje integrirani intenzitet za različite pokretne tunelske struje, koji je, kao što se može vidjeti iz grafikona, prilično linearan. Stoga povećanje struje na visoke vrijednosti može dovesti do uspješnog raspršenja polaritona duž donje grane i stvoriti izuzetno uzak uzorak emisije zbog generiranja polaritona. Međutim, u ovom eksperimentu to nije bilo moguće postići zbog ograničenja povezanih s dielektričnim probojom hBN tunelske barijere.
Crvene točkice na 3d pokazuju mjerenja drugog pokazatelja - vanjskog kvantna učinkovitost*.
Kvantna učinkovitost* — omjer broja fotona čija je apsorpcija uzrokovala nastanak kvazičestica prema ukupnom broju apsorbiranih fotona.
Opažena kvantna učinkovitost usporediva je s onom u drugim polaritonskim LED diodama (na temelju organskih materijala, karbonskih cijevi itd.). Važno je napomenuti da je u uređaju koji se proučava debljina sloja koji emitira svjetlost samo 0.7 nm, dok je u drugim uređajima ta vrijednost mnogo veća. Znanstvenici ne skrivaju da kvantna učinkovitost njihovog uređaja nije najveća, ali se može povećati postavljanjem većeg broja monoslojeva unutar zone tunela, odvojenih tankim slojevima hBN.
Istraživači su također testirali učinak detuninga rezonatora na polaritonski EL tako što su napravili drugi uređaj, ali s jačim detuningom (-43 meV).
Slika #4
Na slici 4a EL spektri s kutnom rezolucijom takvog uređaja prikazani su pri gustoći struje od 0.2 μA/μm2. Zbog jakog ugađanja, uređaj pokazuje izražen učinak uskog grla u EL s maksimumom emisije koji se pojavljuje pod velikim kutom. To dodatno potvrđuje i slika 4b, gdje se polarni grafovi ovog uređaja uspoređuju s prvim (2s).
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Stoga sva gore opisana opažanja i mjerenja potvrđuju prisutnost elektroluminiscencije polaritona u vdW heterostrukturi ugrađenoj u optičku mikrošupljinu. Arhitektura tunela uređaja koji se proučava osigurava uvođenje elektrona/rupa i rekombinaciju u monosloju WS2, koji služi kao emiter svjetlosti. Bitno je da tunelski mehanizam uređaja ne zahtijeva legiranje komponenti, čime se minimiziraju gubici i razne promjene temperature.
Utvrđeno je da EL ima visoku usmjerenost zbog disperzije rezonatora. Stoga će poboljšanje faktora kvalitete šupljine i veće isporuke struje poboljšati učinkovitost LED dioda s mikro šupljinama, kao i električno kontroliranih polaritona s mikro šupljinama i fotonskih lasera.
Ovaj je rad još jednom potvrdio da dihalkogenidi prijelaznih metala imaju doista jedinstvena svojstva i vrlo širok raspon primjena.
Takvo istraživanje i inovativni izumi mogu uvelike utjecati na razvoj i širenje tehnologija prijenosa podataka korištenjem LED dioda i samog svjetla. Takve futurističke tehnologije uključuju Li-Fi, koji može pružiti znatno veće brzine od trenutno dostupnog Wi-Fi-ja.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com