Selama bertahun-tahun, para ilmuwan dari seluruh dunia telah melakukan dua hal - menciptakan dan meningkatkan. Dan terkadang tidak jelas mana yang lebih sulit. Ambil contoh, LED biasa, yang bagi kita tampak begitu sederhana dan biasa sehingga kita tidak memperhatikannya. Tetapi jika Anda menambahkan beberapa rangsangan, sejumput polariton dan tungsten disulfida secukupnya, LED tidak lagi membosankan. Semua istilah muskil ini adalah nama-nama komponen yang sangat tidak biasa, yang kombinasinya memungkinkan para ilmuwan dari City College of New York untuk membuat sistem baru yang dapat mengirimkan informasi dengan sangat cepat menggunakan cahaya. Perkembangan ini akan membantu meningkatkan teknologi Li-Fi. Apa sebenarnya bahan dari teknologi baru yang digunakan, apa resep untuk "hidangan" ini dan bagaimana efisiensi LED exciton-polariton baru? Laporan para ilmuwan akan memberi tahu kita tentang ini. Pergi.
Dasar penelitian
Jika semuanya disederhanakan menjadi satu kata, maka teknologi ini ringan dan semuanya terhubung dengannya. Pertama, polariton, yang muncul ketika foton berinteraksi dengan rangsangan sedang (fonon, rangsangan, plasmon, magnon, dll.). Kedua, rangsangan adalah eksitasi elektronik dalam dielektrik, semikonduktor atau logam, bermigrasi melalui kristal dan tidak terkait dengan transfer muatan dan massa listrik.
Penting untuk dicatat bahwa partikel semu ini sangat menyukai dingin; aktivitasnya hanya dapat diamati pada suhu yang sangat rendah, yang sangat membatasi aplikasi praktisnya. Tapi itu sebelumnya. Dalam karya ini, para ilmuwan mampu mengatasi batasan suhu dan menggunakannya pada suhu kamar.
Fitur utama polariton adalah kemampuan untuk mengikat foton satu sama lain. Foton yang bertabrakan dengan atom rubidium memperoleh massa. Dalam proses tumbukan berkali-kali, foton memantul satu sama lain, tetapi dalam kasus yang jarang terjadi, mereka membentuk pasangan dan kembar tiga, sementara kehilangan komponen atom yang diwakili oleh atom rubidium.
Tetapi untuk melakukan sesuatu dengan cahaya, itu harus ditangkap. Untuk ini, diperlukan resonator optik, yang merupakan kombinasi elemen reflektif yang membentuk gelombang cahaya berdiri.
Dalam penelitian ini, quasiparticles yang lebih tidak biasa, exciton-polariton, yang terbentuk karena penggabungan kuat exciton dan foton yang terperangkap dalam rongga optik, memainkan peran penting.
Namun, ini tidak cukup, karena dasar material diperlukan, begitulah. Dan siapa, jika bukan logam transisi dichalcogenide (TDM), yang akan memainkan peran ini lebih baik dari yang lain. Lebih tepatnya, lapisan tunggal WS2 (tungsten disulfida) digunakan sebagai bahan pemancar, yang memiliki energi pengikat rangsangan yang mengesankan, yang menjadi salah satu kriteria utama untuk memilih bahan dasar.
Kombinasi dari semua elemen yang dijelaskan di atas memungkinkan untuk membuat LED polariton yang dikontrol secara elektrik yang beroperasi pada suhu kamar.
Untuk mengimplementasikan perangkat ini, monolayer WS2 terletak di antara penghalang tunneling boron nitrida (hBN) heksagonal tipis dengan lapisan graphene yang bertindak sebagai elektroda.
Hasil penelitian
WS2, menjadi logam transisi dichalcogenide, juga merupakan bahan van der Waals (vdW) yang tipis secara atom. Ini menunjukkan sifat listrik, optik, mekanik, dan termalnya yang unik.
Dalam kombinasi dengan bahan vdW lainnya, seperti graphene (sebagai konduktor) dan boron nitrida heksagonal (hBN, sebagai isolator), berbagai macam perangkat semikonduktor yang dikontrol secara elektrik, termasuk LED, dapat direalisasikan. Kombinasi serupa dari bahan van der Waals dan polariton telah direalisasikan sebelumnya, seperti yang dinyatakan secara terus terang oleh para peneliti. Namun, dalam tulisan sebelumnya, sistem yang dihasilkan kompleks dan tidak sempurna, serta tidak mengungkap potensi penuh dari masing-masing komponen.
Salah satu ide yang diilhami para pendahulunya adalah penggunaan platform material dua dimensi. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk mengimplementasikan perangkat dengan lapisan emisi tipis atom yang dapat diintegrasikan dengan bahan vdW lain yang bertindak sebagai kontak (graphene) dan penghalang terowongan (hBN). Selain itu, dua dimensi ini memungkinkan untuk menggabungkan LED polariton dengan bahan vdW dengan sifat magnetik yang tidak biasa, superkonduktivitas yang kuat, dan/atau transfer topologi yang tidak standar. Sebagai hasil dari kombinasi seperti itu, jenis perangkat yang benar-benar baru dapat diperoleh, yang propertinya bisa sangat tidak biasa. Tapi, seperti yang dikatakan para ilmuwan, ini adalah topik untuk studi lain.
Gambar #1
Pada gambar 1a memperlihatkan model 12D perangkat yang menyerupai kue lapis. Cermin atas resonator optik adalah lapisan perak, dan cermin bawah adalah terdistribusi XNUMX lapisan Reflektor Bragg*. Ada zona terowongan di wilayah aktif.
Reflektor Bragg Terdistribusi* - struktur beberapa lapisan, di mana indeks bias material berubah secara berkala tegak lurus terhadap lapisan.
Zona terowongan terdiri dari heterostruktur vdW yang terdiri dari monolayer WS2 (pemancar cahaya), lapisan tipis hBN di kedua sisi monolayer (penghalang terowongan) dan graphene (elektroda transparan untuk pengenalan elektron dan lubang).
Dua lapisan WS2 lagi ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan keseluruhan osilator dan karenanya memiliki pemisahan Rabi yang lebih jelas dari keadaan polariton.
Mode operasi resonator disetel dengan mengubah ketebalan lapisan PMMA (polimetil metakrilat, yaitu kaca plexiglass).
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b ini adalah snapshot dari struktur hetero vdW pada permukaan reflektor Bragg terdistribusi. Karena reflektifitas yang tinggi dari reflektor Bragg terdistribusi, yang merupakan lapisan bawah, zona terowongan pada gambar memiliki kontras pantulan yang sangat rendah, akibatnya hanya lapisan tebal hBN yang diamati.
Grafik. 1s mewakili diagram zona dari heterostruktur vdW dalam geometri terowongan di bawah perpindahan. Electroluminescence (EL) diamati di atas tegangan ambang ketika tingkat Fermi dari graphene atas (bawah) digeser di atas (di bawah) pita konduksi (valensi) WS2, memungkinkan elektron (lubang) untuk terowongan ke konduksi WS2 (valensi) pita. Ini menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk pembentukan rangsangan di lapisan WS2 diikuti oleh rekombinasi lubang elektron radiatif (radiatif).
Tidak seperti pemancar cahaya berdasarkan persimpangan pn, yang membutuhkan doping untuk beroperasi, EL dari perangkat terowongan hanya bergantung pada arus terowongan, yang menghindari kehilangan optik dan perubahan resistivitas yang disebabkan oleh perubahan suhu. Pada saat yang sama, arsitektur terowongan memungkinkan area radiasi yang jauh lebih besar dibandingkan dengan perangkat dichalcogenide berdasarkan sambungan pn.
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1d menunjukkan karakteristik listrik dari kerapatan arus tunneling (J) sebagai fungsi tegangan bias (V) antara elektroda graphene. Peningkatan tajam arus untuk tegangan positif dan negatif menunjukkan terjadinya arus tunneling melalui struktur. Pada ketebalan optimal lapisan hBN (~ 2 nm), arus tunneling yang signifikan dan peningkatan masa pakai pembawa implan untuk rekombinasi radiatif diamati.
Sebelum percobaan elektroluminesensi, perangkat dicirikan oleh pantulan cahaya putih dengan resolusi sudut untuk mengkonfirmasi adanya pengikatan rangsangan yang kuat.
Gambar #2
Pada gambar 2a spektrum reflektansi yang diselesaikan dengan sudut dari wilayah aktif perangkat ditampilkan, menunjukkan perilaku anti-persimpangan. Photoluminescence (PL) juga diamati dengan eksitasi non-resonansi (460 nm), menunjukkan emisi intens dari cabang bawah polariton dan emisi yang lebih lemah dari cabang atas polariton (2b).
Pada 2s dispersi elektroluminesensi polariton diperlihatkan untuk penyisipan 0.1 ΞΌA/ΞΌm2. Pemisahan Rabi dan detuning resonator diperoleh dengan menyesuaikan mode osilator (garis putih padat dan putus-putus) ke eksperimen elektroluminesensi masing-masing adalah ο½33 meV dan ο½-13 meV. Detuning resonator didefinisikan sebagai Ξ΄ = Ec β Ex, di mana Ex adalah energi exciton dan Ec adalah energi foton resonator dengan momentum dalam bidang nol. Jadwal 2d ini adalah potongan pada sudut yang berbeda dari dispersi electroluminescent. Di sini orang dapat dengan jelas melihat dispersi mode polariton atas dan bawah dengan anticrossing yang terjadi di zona resonansi exciton.
Gambar #3
Saat arus tunneling meningkat, total intensitas EL meningkat. EL lemah dari polaritons diamati di dekat perpindahan ambang (3a), sedangkan pada pergeseran yang cukup besar di atas ambang batas, emisi polariton menjadi berbeda (3b).
Pada gambar 3s menunjukkan grafik kutub intensitas EL sebagai fungsi sudut, menggambarkan kerucut pancaran sempit Β± 15Β°. Pola radiasi praktis tidak berubah untuk arus eksitasi minimum (kurva hijau) dan maksimum (kurva oranye). Pada 3d intensitas terintegrasi ditunjukkan untuk berbagai arus terowongan yang bergerak, yang dapat dilihat dari grafik, cukup linier. Oleh karena itu, peningkatan arus ke nilai tinggi dapat menyebabkan hamburan polariton yang berhasil di sepanjang cabang bawah dan menciptakan pola radiasi yang sangat sempit karena pembentukan polariton. Namun, dalam percobaan ini, hal ini tidak mungkin dilakukan karena keterbatasan yang terkait dengan kerusakan dielektrik penghalang penerowongan hBN.
titik merah menyala 3d tampilkan pengukuran indikator lain - eksternal efisiensi kuantum*.
Efisiensi Kuantum* adalah rasio jumlah foton yang penyerapannya menyebabkan pembentukan partikel kuasi terhadap jumlah total foton yang diserap.
Efisiensi kuantum yang diamati sebanding dengan LED polariton lainnya (berdasarkan bahan organik, tabung karbon, dll.). Perlu dicatat bahwa ketebalan lapisan pemancar cahaya pada perangkat yang diteliti hanya 0.7 nm, sedangkan pada perangkat lain nilai ini jauh lebih tinggi. Para ilmuwan tidak menyembunyikan fakta bahwa indeks efisiensi kuantum perangkat mereka bukanlah yang tertinggi, tetapi dapat ditingkatkan dengan menempatkan lebih banyak lapisan tunggal di dalam zona terowongan, dipisahkan oleh lapisan tipis hBN.
Para peneliti juga menguji pengaruh detuning resonator pada EL polariton dengan membuat perangkat lain, namun dengan detuning yang lebih kuat (-43 meV).
Gambar #4
Pada gambar 4a Spektra EL ditunjukkan dengan resolusi sudut perangkat tersebut pada kerapatan arus 0.2 ΞΌA/ΞΌm2. Karena detuning yang kuat, perangkat menunjukkan efek bottleneck yang jelas di EL dengan emisi maksimum yang terjadi pada sudut yang besar. Ini lebih lanjut dikonfirmasi dalam gambar. 4b, di mana plot kutub perangkat ini dibandingkan dengan yang pertama (2s).
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya .
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Dengan demikian, semua pengamatan dan pengukuran yang dijelaskan di atas mengkonfirmasi keberadaan elektroluminesensi polariton dalam heterostruktur vdW yang tertanam dalam rongga mikro optik. Arsitektur terowongan perangkat yang diteliti memastikan pengenalan elektron/lubang dan rekombinasi dalam lapisan tunggal WS2, yang berfungsi sebagai pemancar cahaya. Penting agar mekanisme terowongan perangkat tidak memerlukan paduan komponen, yang meminimalkan kerugian dan berbagai perubahan terkait suhu.
Ditemukan bahwa EL memiliki directivity yang tinggi karena dispersi resonator. Oleh karena itu, meningkatkan faktor kualitas resonator dan suplai arus yang lebih tinggi akan meningkatkan efisiensi LED mikrokavitas, serta polariton mikrokavitas yang dikontrol secara elektrik dan laser foton.
Karya ini sekali lagi menegaskan bahwa logam transisi dichalcogenides memiliki sifat yang benar-benar unik dan aplikasi yang sangat luas.
Penelitian dan penemuan inovatif semacam itu dapat sangat memengaruhi pengembangan dan penyebaran teknologi transmisi data melalui LED dan cahaya itu sendiri. Teknologi futuristik tersebut termasuk Li-Fi, yang dapat memberikan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada Wi-Fi yang tersedia saat ini.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan semuanya! π
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com