Da molti anni, scienziati di tutto il mondo si dedicano a due attività: inventare e perfezionare. A volte non è chiaro quale delle due sia più difficile. Prendiamo, ad esempio, i comuni LED, che ci sembrano così semplici e quotidiani da non attrarre nemmeno la nostra attenzione. Ma se aggiungiamo un po' di eccitoni, un pizzico di polaritoni e del disolfuro di tungsteno a piacere, i LED non saranno più così banali. Tutti questi termini complessi sono nomi di componenti estremamente peculiari la cui combinazione ha permesso agli scienziati del City College di New York di creare un nuovo sistema in grado di trasmettere informazioni estremamente rapidamente tramite la luce. Questa innovazione aiuterà a migliorare la tecnologia Li-Fi. Quali ingredienti specifici sono stati utilizzati in questa nuova tecnologia, qual è la ricetta di questo "piatto" e qual è l'efficacia del nuovo LED eccitone-polaritone? Su questo ci informerà la relazione degli scienziati. Andiamo.
La base della ricerca
Se dovessimo semplificare tutto a una parola, questa tecnologia rappresenta la luce e tutto ciò che con essa è connesso. Innanzitutto, i polaritoni, che si generano dall'interazione tra fotoni ed eccitazioni del mezzo (fononi, eccitoni, plasmoni, magnoni, ecc.). In secondo luogo, gli eccitoni sono un'eccitazione elettronica in un dielettrico, in un semiconduttore o in un metallo, che migra attraverso il cristallo senza trasportare carica elettrica o massa.
È importante sottolineare che queste quasi-particelle amano molto il freddo, cioè è possibile osservare la loro attività solo a temperature estremamente basse, il che limita fortemente l'applicazione pratica. Ma questo era prima. In questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a superare il limite di temperatura e ad utilizzarle a temperature ambiente.
La caratteristica principale dei polaritoni è la loro capacità di legare i fotoni tra di loro. I fotoni che collidono con gli atomi di rubidio acquisiscono massa. In seguito a molteplici collisioni, i fotoni rimbalzano l'uno sull'altro, ma in rari casi formano coppie e triplette, perdendo al contempo la componente atomica rappresentata dall'atomo di rubidio.
Tuttavia, per fare qualcosa con la luce, è necessario catturarla. A questo scopo serve un risonatore ottico, che è un insieme di elementi riflettenti che formano un'onda luminosa stazionaria.
In questa ricerca, un ruolo fondamentale è svolto da particelle quasi esotiche ancora più straordinarie: i polaritoni eccitoni, che si formano grazie a una forte interazione tra eccitoni e fotoni intrappolati nel risonatore ottico.
Tuttavia, questo non è sufficiente, poiché è necessaria una base materiale, per così dire. E chi meglio dei dicalcogenuri dei metalli di transizione (DCM) può svolgere questo compito? Più precisamente, come materiale emittente è stato utilizzato un monostrato di WS2 (disolfuro di tungsteno), che possiede energie di legame degli eccitoni notevoli, il che è stato uno dei principali criteri per la scelta della base materiale.
La combinazione di tutti gli elementi sopra descritti ha consentito di creare un LED polaritone elettricamente controllato, funzionante a temperatura ambiente.
Per realizzare questo dispositivo, il WS2 è posizionato tra sottili barriere tunnel esagonali di nitruro di boro (hBN), con strati di grafene che fungono da elettrodi.
Risultati della ricerca
Il WS2, essendo un dichalcogenuro di metallo transizionale, è anche un materiale Van der Waals (vdW) atomico ultrafine. Ciò evidenzia 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 una vasta gamma di dispositivi semiconduttori elettricamente controllati, tra cui i LED. Tali combinazioni di materiali Van der Waals e polaritoni sono già state realizzate in precedenza, come affermato esplicitamente dai ricercatori. Tuttavia, nelle opere precedenti, i sistemi risultanti erano complessi e imperfetti e non rivelavano tutto il potenziale di ciascun componente.
Una delle idee che si sono ispirate ai predecessori è stata l'applicazione di una piattaforma materiale bidimensionale. In questo caso, è possibile realizzare dispositivi con strati emissivi atomicamente sottili, che possono essere integrati con altri materiali vdW, fungendo da contatti (grafene) e barriere di tunnel (hBN). Inoltre, tale bidimensionalità consente di combinare i diodi polaritoni con materiali vdW dotati di proprietà magnetiche insolite, superconduttività intensa e/o trasferimenti topologici non standard. Il risultato di questa combinazione potrebbe dare origine a un nuovo tipo di dispositivo, le cui proprietà potrebbero rivelarsi piuttosto singolari. Ma, come dicono gli scienziati, questo è un argomento per un'altra ricerca.
Immagine n. 1
Nell'immagine 1a è mostrato un modello tridimensionale del dispositivo, che ricorda una torta a strati. Come specchio superiore del risonatore ottico funge uno strato d'argento, mentre come inferiore un distribuito a 12 strati Riflettore di Bragg*. Nella zona attiva si trova la zona di tunnel.
Riflettore di Bragg distribuito* — una struttura a più strati in cui l'indice di rifrazione del materiale cambia periodicamente perpendicolarmente agli strati.
La zona tunnel è composta da una eterostruttura vdW costituita da un monostrato di WS2 (emettitore di luce), strati sottili di hBN da entrambi i lati del monostrato (barriera tunnel) e grafene (elettrodi trasparenti per l'iniezione di elettroni e lacune).
Sono stati aggiunti altri due strati di WS2 per aumentare la forza complessiva del generatore e, di conseguenza, per un più marcato separazione degli stati polaritoni di Rabi.
La modalità di funzionamento del risonatore è regolata variando lo spessore dello strato di PMMA (polimetilmetacrilato, cioè plexiglass).
Immagine 1b questo è un'immagine dell'eterostruttura vdW sulla superficie di un riflettore Bragg distribuito. A causa dell'elevata capacità riflettente del riflettore Bragg distribuito, che funge da strato inferiore, la zona tunnel nell'immagine presenta un contrasto di riflessione molto basso, risultando visibile solo lo strato superiore spesso di hBN.
Il grafico 1C rappresenta un diagramma vdW della eterostruttura nella geometria di un tunnel sotto spostamento. L'elettroluminescenza (EL) si osserva oltre una tensione soglia, quando il livello di Fermi del grafene superiore (inferiore) è spostato sopra (sotto) la banda di conduzione (valenza) del WS2, consentendo a un elettrone (buco) di tunnel nella banda di conduzione (valenza) del WS2. Questo crea condizioni favorevoli per la formazione di eccitoni nello strato di WS2 con una successiva ricombinazione radiante (emissiva) elettrone-buco.
A differenza dei dispositivi ad emissione di luce basati su giunzioni p-n, per il cui funzionamento è necessario il doping, l'EL dei dispositivi a tunnel dipende esclusivamente dalla corrente di tunnel, evitando così perdite ottiche e qualsiasi variazione della resistività specifica dovuta ai cambiamenti di temperatura. Allo stesso tempo, l'architettura a tunnel consente un'area di emissione significativamente più ampia rispetto ai dispositivi basati su giunzioni p-n dei dicalcogeni.
Immagine 1d dimostra le caratteristiche elettriche della densità di corrente di tunnel (J) in funzione della tensione di spostamento (V) tra gli elettrodi di grafene. L'aumento repentino della corrente sia per la tensione positiva che negativa indica la formazione di corrente di tunnel attraverso la struttura. A uno spessore ottimale degli strati di hBN (~2 nm), si osserva una significativa corrente di tunnel e un aumento del tempo di vita dei portatori intrappolati per la ricombinazione radiativa.
Prima di condurre l'esperimento elettroluminescente, è stata effettuata una caratterizzazione del dispositivo in termini di capacità riflettente alla luce bianca con risoluzione angolare per confermare la presenza di una forte connessione tra gli excitoni.
Immagine n. 2
Nell'immagine 2a Sono stati mostrati gli spettri di riflessione con risoluzione angolare dalla zona attiva del dispositivo, che dimostrano un comportamento che ostacola l'intersezione. È stata inoltre osservata fotoluminescenza (PL) sotto 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 è mostrata la dispersione dell'eletroluminescenza del polaritone all'inserimento di 0,1 μA/mkm². Le suddivisioni di Rabi e il disguido del risonatore, ottenuti tramite l'adattamento delle modalità dell'oscillatore (linea bianca continua e punteggiata) all'esperimento di eletroluminescenza, sono rispettivamente di circa 33 meV e circa -13 meV. Il disguido del risonatore è definito come δ = Ec − Ex, dove Ex è l'energia dell'excitone e Ec indica l'energia del fotone del risonatore con impulso nullo nel piano. Grafico 2d questo è un taglio a diversi angoli della dispersione elettroluminescente. Qui è ben visibile la dispersione delle modalità del polaritone superiore e inferiore con l'antiintersezione che avviene nella zona della risonanza dell'excitone.
Immagine n. 3
Con l'aumento della corrente di tunnel, l'intensità totale dell'E.L. aumenta. Una debole E.L. dai polaritoni è osservata vicino allo spostamento soglia (3a), mentre a uno spostamento sufficientemente grande al di sopra della soglia, l'emissione del polaritone diventa netta (3b).
Nell'immagine 3c mostra un grafico polare dell'intensità dell'ÉL in funzione dell'angolo, che rappresenta un cono di emissione stretto di ± 15°. Il diagramma di emissione rimane praticamente invariato sia per la corrente di eccitazione minima (curva verde) che per quella massima (curva arancione). Su 3d viene mostrata l'intensità integrata a diverse correnti di tunnel in movimento, che, come si può vedere dal grafico, è sufficientemente lineare. Pertanto, un aumento della corrente a valori elevati può portare a una dispersione di polaritoni lungo il ramo inferiore e creare un diagramma di emissione estremamente stretto a causa della generazione di polaritoni. Tuttavia, in questo esperimento non è stato possibile raggiungere questo obiettivo a causa di una limitazione legata alla digitalizzazione del tunnel barriera hBN.
I punti rossi su 3d mostrano le misurazioni di un altro parametro — l'efficienza quantistica esterna* efficienza quantistica*.
è il rapporto tra il numero di fotoni la cui assorbimento ha causato la formazione di quasicorpo, e il numero totale di fotoni assorbiti. — il rapporto tra il numero di fotoni la cui assorbimento ha causato la formazione di quasielementi e il numero totale di fotoni assorbiti.
L'efficienza quantica osservata è comparabile a quella di altriLED polaritoni (basati su materiali organici, tubi di carbonio, ecc.). È importante notare che nello dispositivo studiato lo spessore dello strato emittente è di soli 0,7 nm, mentre in altri dispositivi questo valore è significativamente più alto. I ricercatori non nascondono che il valore dell'efficienza quantica del loro dispositivo non è il più elevato, ma può essere aumentato collocando un numero maggiore di monostrati all'interno della zona di tunnel, separati da sottili strati di hBN.
I ricercatori hanno anche esaminato l'influenza del disturbo del risonatore sulla EL del polaritone, realizzando un altro dispositivo, ma con un disturbo più forte (-43 meV).
Immagine n. 4
Nell'immagine 4a Sono stati mostrati gli spettri della EL con risoluzione angolare di tale dispositivo a una densità di corrente di 0,2 μA/mkm2. A causa del forte disturbo, il dispositivo mostra un evidente effetto bottleneck nella EL con un massimo di emissione che si verifica ad un angolo elevato. Questo è ulteriormente confermato nell'immagine 4b, in cui vengono confrontati i grafici polari di questo dispositivo con il primo (2s).
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Pertanto, tutte le osservazioni e le misurazioni sopra descritte confermano la presenza di elettroluminescenza polaritonica nella eterostruttura vdW integrata in un micro-risonatore ottico. L'architettura a tunnel del dispositivo analizzato consente l'inserimento di elettroni / lacune e la ricombinazione nel monostrato WS2, che funge da emettitore di luce. È importante notare che il meccanismo a tunnel del dispositivo non richiede la lega dei componenti, riducendo al minimo le perdite e le varie modifiche associate alla temperatura.
È stato stabilito che l'elettroluminescenza ha un'elevata direzionalità grazie alla dispersione del risonatore. Di conseguenza, il miglioramento della qualità del risonatore e un'alimentazione elettrica più elevata aumenteranno l'efficienza dei LED a micro-risonatore, così come dei polaritoni a micro-risonatore controllati elettricamente e dei laser fotonici.
Questo lavoro ha nuovamente confermato che i dichalogenuri dei metalli di transizione possiedono effettivamente proprietà uniche e un ampio spettro di applicazioni.
Queste ricerche e invenzioni innovative possono avere un forte impatto sullo sviluppo e sulla diffusione delle tecnologie di trasmissione dei dati attraverso i LED e la luce in generale. Tra queste tecnologie futuristiche c'è il Li-Fi, che può garantire una velocità significativamente superiore a quella del Wi-Fi attuale.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
