Évek óta a világ tudósai két dolgot kutatnak — feltalálnak és tökéletesítenek. Néha nehéz megmondani, mi a bonyolultabb. Vegyük például a hétköznapi LED-eket, amelyek olyan egyszerűnek és közönségesnek tűnnek, hogy észre sem vesszük őket. De ha egy kis excitont, egy csipet polaritont és ízlés szerint wolfram-diszulfidot adunk hozzá, a LED-ek már nem lesznek annyira prozaikusak. Mindezek a bonyolult kifejezések rendkívül szokatlan komponensek nevei, amelyek lehetővé tették a New York-i Városi Főiskola tudósai számára, hogy létrehozzanak egy új rendszert, amely képes rendkívül gyorsan információt továbbítani fény segítségével. Ez a fejlesztés hozzájárul a Li-Fi technológia tökéletesítéséhez. Milyen konkrét összetevőket használtak az új technológiában, mi a receptje ennek az „ételnek”, és hogyan működik az új exciton-polariton LED? Erről szól a tudósok előadása. Kezdjük.
A kutatás alapja
Ha mindent egy szóra le szeretnénk egyszerűsíteni, akkor ez a technológia a fény és minden, ami ahhoz kapcsolódik. Először is, polaritonok, amelyek a fotonok közeg-excitációkkal (fononok, excitonok, plazmonok, magnónok stb.) való kölcsönhatása során keletkeznek. Másodszor, excitonok — elektronos excitációk dielektrikumban, félvezetőben vagy fémben, amelyek a kristályban vándorolnak anélkül, hogy elektromos töltést vagy tömeget szállítanának.
Fontos megjegyezni, hogy ezek a kvázirészecskék nagyon kedvelik a hideget, tehát tevékenységüket csak nagyon alacsony hőmérsékleten lehet megfigyelni, ami jelentősen korlátozza a gyakorlati alkalmazást. De ez régen volt. Ez a munka lehetővé tette a tudósok számára, hogy túllépjenek a hőmérsékleti korláton, és szobahőmérsékleten használják őket.
A polaritonok fő jellemzője, hogy képesek összekapcsolni a fotonokat. A fotonok, amelyek rubídiumatomokkal ütköznek, tömeget nyernek. A többszöri ütközés során a fotonok visszapattannak egymástól, de ritka esetekben párokat és tripleteket alkotnak, miközben elveszítik az atomi összetevőt, amelyet a rubídiumatom képvisel.
De ahhoz, hogy valamit kezdjünk a fénnyel, el kell kapni. Ehhez van szükség egy optikai rezgőre, amely visszaverő elemek összességét hordozza, amelyek álló fényhullámot formálnak.
A kutatásban egyre szokatlanabb kvázirészecskék, az exciton-polaritonok játszanak kulcsszerepet, amelyek az excitonok és a fénykvantumok erős kölcsönhatása révén jönnek létre, amelyek egy optikai rezonátorban ragadtak.
De ez nem elegendő, mert szükség van egy anyagi alapra, úgymond. Ki is játszhatna jobban ezt a szerepet, mint a tranzíciós fémek dikhalkogénjei (DPM). Pontosabban, a kibocsátó anyagként monovastagságú WS2 (volfrám-diszulfid) került felhasználásra, amely lenyűgöző exciton kötési energiákkal bír, ami az egyik fő szempont volt az anyagi alap kiválasztásánál.
Az összes fent leírt elem egyesítése lehetővé tette egy villamosan vezérelt polariton LED létrehozását, amely szobahőmérsékleten működik.
A készülék megvalósításához a monovastagságú WS2-t vékony hexagonális alagutakból készült bór-nitrid (hBN) közé helyezték, amelyek grafén rétegekként szolgálnak elektródokként.
A kutatás eredményei
A WS2, mint a tranzíciós fémek dikhalkogénje, atomvékony Van der Waals (vdW) anyag. Ez az elektromos, optikai, mechanikai és hőmérsékleti tulajdonságainak egyediségét jelzi.
Más vdW anyagokkal, mint például a grafén (vezetőként) és a hexagonális bórnitrid (hBN, szigetelőként) kombinálva számos villamosan vezérelt félvezető eszköz valósítható meg, beleértve a LED-eket is. Az ilyen Van der Waals anyagok és polaritonok kombinációit már korábban is megvalósították, ahogy a kutatók nyíltan kijelentették. Azonban a korábbi munkák során létrejött rendszerek bonyolultak és tökéletlenek voltak, és nem hozzák felszínre minden alkotóelem teljes potenciálját.
Az egyik ötlet, amelynek inspirációját az elődök adták, a kétdimenziós anyagi platform alkalmazása volt. Ilyen esetben lehetőség nyílik atomvékony kibocsátó rétegekkel rendelkező eszközök megvalósítására, amelyek integrálhatók más vdW anyagokkal, mint például a grafén, amelyek érintkezőként és alagútbarriként (hBN) funkcionálnak. Ezenkívül az ilyen kétdimenzionalitás lehetővé teszi a polaritons LED-ek kombinálását olyan vdW anyagokkal, amelyek különleges mágneses tulajdonságokkal, erős szupervezetőképességgel és/vagy szokatlan topológiai szállításokkal rendelkeznek. Az ilyen összeolvadás révén egy teljesen új típusú eszköz jöhet létre, amelynek tulajdonságai rendkívül szokatlanok lehetnek. De ahogyan a tudósok mondják, ez egy másik kutatás témája.
Kép №1
A képen 1a a készülék háromdimenziós modellje látható, amely egy réteges tortára emlékeztet. Az optikai rezonátor felső tükreként egy ezüstréteg működik, míg az alsó réteg egy 12 rétegű elosztott. Bragg- reflektor*. Az aktív területen alagútzóna található.
Elosztott Bragg-reflektor* — egy több rétegből álló struktúra, amelyben az anyag fénytörési indexe periódikusan változik a rétegekhez képest merőlegesen.
Az alagútzóna egy vdW heterostruktúrából áll, amely egy WS2 monoréteget (fénykibocsátó), vékony hBN rétegeket a monoréteg mindkét oldalán (alagútbarrikád) és grafént (átlátszó elektródák az elektronok és lyukak bejuttatására) tartalmaz.
Még két WS2 réteg került hozzáadásra a generátor teljes erejének növelése érdekében, és ennek következtében a Rabi polariton állapotok egyértelműbb hasadását eredményezi.
A rezonátor működési módja a PMMA (polimetilmetakrilát, azaz akrilüveg) réteg vastagságának megváltoztatásával állítható be.
A felvétel 1b ez egy felvétel a vdW heterostruktúráról az elosztott Bragg-reflektor felületén. Az elosztott Bragg-reflektor, amely az alsó réteg, magas reflektivitásának köszönhetően, a felvételen az alagútzóna nagyon alacsony reflektálási kontrasztot mutat, ezért csak a vastag hBN réteg látható.
A diagram 1c a vdW heterostructure zone diagram in tunnel geometry under displacement. Electroluminescence (EL) is observed above the threshold voltage when the Fermi level of the upper (lower) graphene is shifted above (below) the conduction (valence) band of WS2, allowing an electron (hole) to tunnel into the conduction (valence) band of WS2. This creates favorable conditions for the formation of excitons in the WS2 layer with subsequent radiative (emissive) recombination of electron-hole pairs.
Unlike light emitters based on p-n junctions, which require doping for operation, the EL from tunnel devices relies solely on tunneling current, thereby avoiding optical losses and any changes in resistivity caused by temperature variations. At the same time, the tunnel architecture allows for a much larger emission area compared to dichalcogenide devices based on p-n junctions.
A felvétel 1d demonstrates the electrical characteristics of the tunneling current density (J) as a function of bias voltage (V) between the graphene electrodes. A sharp increase in current for both positive and negative voltages indicates the emergence of tunneling current through the structure. With optimal hBN layer thickness (~2 nm), significant tunneling current and increased carrier lifetime for radiative recombination are observed.
Prior to conducting the electroluminescent experiment, the device was characterized for its white light reflectivity with angular resolution to confirm the presence of a strong exciton coupling.
2. kép
A képen 2a show the reflection spectra with angular resolution from the active region of the device, demonstrating behavior that prevents crossing. Photoluminescence (PL) was also observed under non-resonant excitation (460 nm), showing intense emission from the lower polariton branch and weaker emission from the upper polariton branch (2b).
Ezen 2s A polariton's electroluminescence dispersion is shown at an injection of 0.1 μA/mk2. The Rabi splitting and the resonator detuning, obtained by fitting the oscillator modes (solid and dashed white lines) to the electroluminescent experiment, are about ～33 meV and ～-13 meV, respectively. The resonator detuning is defined as δ = Ec − Ex, where Ex is the exciton energy, and Ec denotes the energy of the resonator photon with zero momentum in the plane. Graph 2d is a slice at different angles from the electroluminescence dispersion. Here, the dispersion of the upper and lower polariton modes with an anti-crossing visible in the exciton resonance region is clearly shown.
3. ábra
As the tunneling current increases, the total intensity of EL rises. Weak EL from polaritons is observed near the threshold offset (3a), while at sufficiently high offsets above the threshold, polariton emission becomes pronounced (3b).
A képen 3s shows a polar plot of EL intensity as a function of angle, depicting a narrow emission cone of ± 15°. The radiation diagram remains virtually unchanged for both minimum (green curve) and maximum (orange curve) excitation currents. At 3d the integrated intensity at various moving tunneling currents is shown, which, as seen from the graph, is quite linear. Therefore, increasing the current to high values can lead to successful scattering of polaritons along the lower branch and create an extremely narrow radiation diagram due to polariton generation. However, in this experiment, it was not possible to achieve this due to the limitation related to the dielectric breakdown of the tunneling barrier hBN.
Red dots on 3d show measurements of another indicator — external quantum efficiency*.
Quantum efficiency* is the ratio of the number of photons whose absorption led to the formation of quasiparticles to the total number of absorbed photons.
A megfigyelt kvantumhatékonyság összehasonlítható más polaritonos LED-ekével (szerves anyagok, széncsövek stb. alapú). Érdemes megjegyezni, hogy a vizsgált eszköz fénykibocsátó rétegének vastagsága mindössze 0,7 nm, míg más eszközök esetében ez az érték sokkal nagyobb. A tudósok nem titkolják, hogy a készülékük kvantumhatékonysága nem a legmagasabb, de növelhető, ha több monoréteget helyeznek el a tunneling zónában, vékony hBN rétegekkel elválasztva.
A kutatók azt is ellenőrizték, hogy a rezonátor zűrzavara hogyan befolyásolja az elektromos polaritonokat, készítettek egy újabb eszközt, de erősebb zűrzavarral (-43 meV).
4. számú kép
A képen 4a az eszköz elektromos spektruma szögfelbontással 0,2 µA/mk2 áram sűrűségnél. A jelentős zűrzavar miatt az eszköz kifejezett üvegnyaki hatást mutat az elektromos fénykibocsátásban, amely a kibocsátás csúcsát nagy szögben jelzi. Ezt a képen is megerősítik. 4b, ahol ennek az eszköznek a pólusgrafikonjait hasonlítják össze az elsővel (2s).
A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a .
Epilógus
Ezek a megfigyelések és mérések megerősítik, hogy a polariton fénykibocsátás jelen van a vdW heterostruktúrában, amely optikai mikrorozonátorba van beépítve. A vizsgált eszköz tunneling architektúrája lehetővé teszi az elektronok/lyukak beépítését és rekombinációját a WS2 monorétegben, amely fénykibocsátóként szolgál. Fontos, hogy az eszköz tunneling mechanizmusa nem igényel dopálást, ami minimalizálja a veszteségeket és a hővel kapcsolatos különbségeket.
Megállapították, hogy az elektromos fénykibocsátás magas irányultságú a rezonátor diszperziója miatt. Következésképpen a rezonátor minőségének javítása és a magasabb áramellátás növelni fogja a mikrorozonátor LED-ek és az elektromosan vezérelt mikrorozonátor polaritonok, valamint fotonlézerek hatékonyságát.
Ez a munka ismét megerősítette, hogy a tranzíciós fémek dikhálkogénjei valóban egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, és széleskörű alkalmazási lehetőségeik vannak.
Hasonló kutatások és innovatív találmányok jelentősen befolyásolhatják az adatok LED-en és a fényen alapuló továbbításának fejlődését és elterjedését. Ilyen futurisztikus technológia a Li-Fi, amely lényegesen nagyobb sebességet biztosíthat, mint a jelenlegi Wi-Fi.
Köszönöm a figyelmet, maradjanak kíváncsiak és mindenkinek jó munkahét kívánok, srácok! 🙂
Köszönjük, hogy velünk maradnak. Tetszenek Önöknek a cikkeink? Szeretnének több érdekes anyagot látni? Támogassanak minket rendelés leadásával vagy ismerősöknek való ajánlással. 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).
Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt
Forrás: habr.com
