Per molti anni, scienziati di tutto il mondo hanno fatto due cose: inventare e migliorare. E a volte non è chiaro quale di questi sia più difficile. Prendiamo, ad esempio, i normali LED, che ci sembrano così semplici e ordinari che non prestiamo loro attenzione. Ma se aggiungi qualche eccitone, un pizzico di polaritoni e disolfuro di tungsteno a piacere, i LED non saranno più così banali. Tutti questi termini astrusi sono i nomi di componenti estremamente insoliti, la cui combinazione ha permesso agli scienziati del City College di New York di creare un nuovo sistema in grado di trasmettere informazioni in modo estremamente rapido utilizzando la luce. Questo sviluppo contribuirà a migliorare la tecnologia Li-Fi. Quali erano esattamente gli ingredienti della nuova tecnologia utilizzata, qual è la ricetta di questo "piatto" e qual è l'efficienza del nuovo LED eccitone-polaritone? Il rapporto degli scienziati ce lo dirà. Andare.
Base di ricerca
Se tutto è semplificato in una parola, allora questa tecnologia è leggera e tutto ciò che è connesso ad essa. In primo luogo, i polaritoni, che sorgono quando i fotoni interagiscono con le eccitazioni del mezzo (fononi, eccitoni, plasmoni, magnoni, ecc.). In secondo luogo, gli eccitoni sono eccitazione elettronica in un dielettrico, semiconduttore o metallo, che migra attraverso il cristallo e non è associata al trasferimento di carica elettrica e massa.
È importante notare che queste quasiparticelle amano molto il freddo; la loro attività può essere osservata solo a temperature estremamente basse, il che limita fortemente la loro applicazione pratica. Ma quello era prima. In questo lavoro, gli scienziati sono stati in grado di superare i limiti di temperatura e utilizzarli a temperatura ambiente.
La caratteristica principale dei polaritoni è la capacità di legare tra loro i fotoni. I fotoni che entrano in collisione con gli atomi di rubidio acquistano massa. Nel processo di collisioni multiple, i fotoni rimbalzano l'uno contro l'altro, ma in rari casi formano coppie e triplette, perdendo la componente atomica rappresentata dall'atomo di rubidio.
Ma per fare qualcosa con la luce, bisogna catturarla. Per questo è necessario un risonatore ottico, che è una combinazione di elementi riflettenti che formano un'onda luminosa stazionaria.
In questo studio, le quasiparticelle ancora più insolite, gli eccitoni-polaritoni, che si formano a causa del forte accoppiamento di eccitoni e fotoni intrappolati in una cavità ottica, giocano un ruolo cruciale.
Tuttavia, questo non è sufficiente, perché è necessaria una base materiale, per così dire. E chi, se non il dicalcogenuro di metallo di transizione (TDM), svolgerà questo ruolo meglio di altri. Per essere più precisi, come materiale emittente è stato utilizzato un monostrato di WS2 (disolfuro di tungsteno), che ha impressionanti energie di legame degli eccitoni, che è diventato uno dei criteri principali per la scelta di un materiale di base.
La combinazione di tutti gli elementi sopra descritti ha permesso di realizzare un LED a polaritoni controllato elettricamente funzionante a temperatura ambiente.
Per implementare questo dispositivo, il monostrato WS2 si trova tra sottili barriere di tunneling di nitruro di boro esagonale (hBN) con strati di grafene che fungono da elettrodi.
Risultati dello studio
WS2, essendo un dicalcogenuro di metallo di transizione, è anche un materiale van der Waals (vdW) atomicamente sottile. Ciò indica le sue proprietà elettriche, ottiche, meccaniche e termiche uniche.
In combinazione con altri materiali vdW, come il grafene (come conduttore) e il nitruro di boro esagonale (hBN, come isolante), è possibile realizzare un'intera varietà di dispositivi a semiconduttore controllati elettricamente, che includono i LED. Simili combinazioni di materiali e polaritoni di van der Waals sono già state realizzate in precedenza, come affermano candidamente i ricercatori. Tuttavia, negli scritti precedenti, i sistemi risultanti erano complessi e imperfetti e non rivelavano il pieno potenziale di ciascuno dei componenti.
Una delle idee ispirate dai predecessori era l'uso di una piattaforma materiale bidimensionale. In questo caso, è possibile implementare dispositivi con strati di emissione atomicamente sottili che possono essere integrati con altri materiali vdW che fungono da contatti (grafene) e barriere tunneling (hBN). Inoltre, questa bidimensionalità consente di combinare LED polaritoni con materiali vdW con proprietà magnetiche insolite, forte superconduttività e/o trasferimenti topologici non standard. Come risultato di tale combinazione, puoi ottenere un tipo di dispositivo completamente nuovo, le cui proprietà possono essere molto insolite. Ma, come dicono gli scienziati, questo è un argomento per un altro studio.
Immagine n. 1
Sull'immagine 1a mostra un modello tridimensionale di un dispositivo che ricorda una torta a strati. Lo specchio superiore del risonatore ottico è uno strato d'argento e quello inferiore è distribuito a 12 strati Riflettore Bragg*. C'è una zona tunnel nella regione attiva.
Riflettore di Bragg distribuito* - una struttura a più strati, in cui l'indice di rifrazione del materiale cambia periodicamente perpendicolarmente agli strati.
La zona del tunnel è costituita da un'eterostruttura vdW costituita da un monostrato WS2 (emettitore di luce), strati sottili di hBN su entrambi i lati del monostrato (barriera del tunnel) e grafene (elettrodi trasparenti per l'introduzione di elettroni e lacune).
Sono stati aggiunti altri due strati WS2 per aumentare la forza complessiva dell'oscillatore e quindi per avere una divisione Rabi più pronunciata degli stati polaritoni.
La modalità operativa del risonatore viene regolata modificando lo spessore dello strato di PMMA (polimetilmetacrilato, ovvero plexiglass).
immagine 1b questa è un'istantanea di un'eterostruttura vdW sulla superficie di un riflettore di Bragg distribuito. A causa dell'elevata riflettività del riflettore di Bragg distribuito, che è lo strato inferiore, la zona del tunnel nell'immagine ha un contrasto di riflessione molto basso, per cui si osserva solo lo spesso strato superiore di hBN.
Programmare 1s rappresenta il diagramma di zona dell'eterostruttura vdW nella geometria del tunnel sotto spostamento. L'elettroluminescenza (EL) viene osservata al di sopra della tensione di soglia quando il livello di Fermi del grafene superiore (inferiore) viene spostato sopra (sotto) la banda di conduzione WS2 (valenza), consentendo a un elettrone (lacuna) di entrare nella conduzione WS2 (valenza) gruppo musicale. Ciò crea condizioni favorevoli per la formazione di eccitoni nello strato WS2 seguito dalla ricombinazione elettrone-lacuna radiativa (radiante).
A differenza degli emettitori di luce basati su giunzioni pn, che richiedono il drogaggio per funzionare, l'EL dei dispositivi tunnel dipende esclusivamente dalla corrente del tunnel, che evita perdite ottiche ed eventuali variazioni di resistività causate da variazioni di temperatura. Allo stesso tempo, l'architettura del tunnel consente un'area di radiazione molto più ampia rispetto ai dispositivi dicalcogenici basati su giunzioni pn.
immagine 1d dimostra le caratteristiche elettriche della densità di corrente di tunneling (J) in funzione della tensione di polarizzazione (V) tra gli elettrodi di grafene. Un forte aumento della corrente sia per la tensione positiva che per quella negativa indica il verificarsi di una corrente di tunnel attraverso la struttura. Allo spessore ottimale degli strati di hBN (~ 2 nm), si osservano una significativa corrente di tunneling e un aumento della durata dei portatori impiantati per la ricombinazione radiativa.
Prima dell'esperimento di elettroluminescenza, il dispositivo era caratterizzato dalla riflessione della luce bianca con risoluzione angolare per confermare la presenza di un forte legame con gli eccitoni.
Immagine n. 2
Sull'immagine 2a vengono mostrati gli spettri di riflettanza risolti in angolo dalla regione attiva del dispositivo, che mostrano il comportamento anti-attraversamento. La fotoluminescenza (PL) è stata osservata anche con eccitazione non risonante (460 nm), mostrando un'emissione intensa dal ramo inferiore del polaritone e un'emissione più debole dal ramo superiore del polaritone (2b).
Su 2s la dispersione dell'elettroluminescenza di un polaritone è mostrata per un'inserzione di 0.1 μA/μm2. La scissione di Rabi e la desintonizzazione del risonatore ottenute adattando le modalità dell'oscillatore (linea bianca continua e tratteggiata) all'esperimento di elettroluminescenza sono rispettivamente ~ 33 meV e ~ - 13 meV. La desintonizzazione del risonatore è definita come δ = Ec − Ex, dove Ex è l'energia dell'eccitone ed Ec è l'energia del fotone del risonatore con quantità di moto nel piano pari a zero. Programma 2d è un taglio ad angoli diversi rispetto alla dispersione elettroluminescente. Qui si può vedere chiaramente la dispersione dei modi polaritoni superiore e inferiore con anticrossing che si verifica nella zona di risonanza degli eccitoni.
Immagine n. 3
All'aumentare della corrente di tunneling, l'intensità EL totale aumenta. Si osserva un EL debole dai polaritoni vicino allo spostamento di soglia (3a), mentre a uno spostamento sufficientemente ampio al di sopra della soglia, l'emissione di polaritoni diventa distinta (3b).
Sull'immagine 3s mostra un grafico polare dell'intensità EL in funzione dell'angolo, raffigurante un cono di emissione stretto di ± 15°. Il diagramma di radiazione rimane praticamente invariato sia per la corrente di eccitazione minima (curva verde) che massima (curva arancione). SU 3d l'intensità integrata è mostrata per varie correnti di tunnel in movimento, che, come si può vedere dal grafico, è abbastanza lineare. Pertanto, l'aumento della corrente a valori elevati può portare a una diffusione riuscita dei polaritoni lungo il ramo inferiore e creare un diagramma di radiazione estremamente stretto a causa della generazione di polaritoni. Tuttavia, in questo esperimento, ciò non è stato possibile a causa della limitazione associata alla rottura dielettrica della barriera di tunneling dell'hBN.
punti rossi accesi 3d mostra le misurazioni di un altro indicatore - esterno efficienza quantica*.
Efficienza quantistica* è il rapporto tra il numero di fotoni il cui assorbimento ha causato la formazione di quasiparticelle e il numero totale di fotoni assorbiti.
L'efficienza quantica osservata è paragonabile a quella di altri LED polaritoni (basati su materiali organici, tubi di carbonio, ecc.). Va notato che lo spessore dello strato che emette luce nel dispositivo in esame è di soli 0.7 nm, mentre in altri dispositivi questo valore è molto più alto. Gli scienziati non nascondono che l'indice di efficienza quantistica del loro dispositivo non è il più alto, ma può essere aumentato posizionando un numero maggiore di monostrati all'interno della zona del tunnel, separati da sottili strati di hBN.
I ricercatori hanno anche testato l'influenza della scordatura del risonatore sul polaritone EL realizzando un altro dispositivo, ma con una scordatura più forte (-43 meV).
Immagine n. 4
Sull'immagine 4a Gli spettri EL sono mostrati con una risoluzione angolare di tale dispositivo a una densità di corrente di 0.2 μA/μm2. A causa della forte desintonizzazione, il dispositivo mostra un marcato effetto collo di bottiglia nell'EL con un massimo di emissione che si verifica ad un ampio angolo. Ciò è ulteriormente confermato nell'immagine. 4b, dove i grafici polari di questo dispositivo vengono confrontati con il primo (2s).
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare .
Finale
Pertanto, tutte le osservazioni e le misurazioni sopra descritte confermano la presenza di elettroluminescenza polaritone in un'eterostruttura vdW incorporata in una microcavità ottica. L'architettura a tunnel del dispositivo in esame assicura l'introduzione di elettroni/lacune e la ricombinazione nel monostrato WS2, che funge da emettitore di luce. È importante che il meccanismo a tunnel del dispositivo non richieda la legatura dei componenti, il che riduce al minimo le perdite e vari cambiamenti legati alla temperatura.
Si è riscontrato che l'EL ha un'elevata direttività dovuta alla dispersione del risonatore. Pertanto, il miglioramento del fattore di qualità del risonatore e una fornitura di corrente più elevata miglioreranno l'efficienza dei LED a microcavità, così come i polaritoni a microcavità controllati elettricamente e i laser a fotoni.
Questo lavoro ha confermato ancora una volta che i dichalcogenuri di metalli di transizione hanno proprietà veramente uniche e una gamma molto ampia di applicazioni.
Tali ricerche e invenzioni innovative possono influenzare notevolmente lo sviluppo e la diffusione delle tecnologie di trasmissione dei dati attraverso i LED e la luce stessa. Tali tecnologie futuristiche includono Li-Fi, che può fornire velocità significativamente più elevate rispetto al Wi-Fi attualmente disponibile.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com