Negli ultimi anni, scienziati di tutto il mondo si sono dedicati a due attività: inventare e perfezionare. E a volte non è chiaro quale delle due sia la più difficile. Prendiamo, ad esempio, i comuni LED, che ci sembrano così semplici e quotidiani da non attirare la nostra attenzione. Ma se aggiungiamo un po' di eccitoni, un pizzico di polaritoni e disolfuro di tungsteno a piacere, i LED non saranno più così prosaici. Tutti questi termini complessi sono nomi di componenti molto particolari, la cui combinazione ha permesso a scienziati del City College di New York di creare un nuovo sistema in grado di trasmettere informazioni con grande rapidità tramite la luce. Questa nuova tecnologia contribuirà a migliorare il Li-Fi. Quali ingredienti sono stati utilizzati nella nuova tecnologia, qual è la ricetta di questo "piatto" e qual è l'efficienza del nuovo LED excipolaritono? A questo risponderà la relazione degli scienziati. Cominciamo.
Fondamenti della ricerca
Se dovessimo semplificare tutto a una sola parola, questa tecnologia sarebbe la luce e tutto ciò che la riguarda. In primo luogo, i polaritoni, che si generano dall'interazione dei fotoni con le eccitazioni del mezzo (fononi, eccitoni, plasmoni, magnetoni, ecc.). In secondo luogo, gli eccitoni, un'eccitazione elettronica in un dielettrico, un semiconduttore o un metallo, che migra attraverso il cristallo e non è associata al trasporto di carica elettrica o di massa.
È importante notare che queste quasiparticelle amano il freddo, cioè la loro attività può essere osservata solo a temperature molto basse, il che limita notevolmente le applicazioni pratiche. Ma questo era in passato. In questo lavoro, gli scienziati sono riusciti a superare la limitazione della temperatura e a utilizzarle a temperature ambiente.
La principale caratteristica dei polaritoni è la loro capacità di legare i fotoni tra loro. I fotoni che collidono con gli atomi di rubidio acquisiscono massa. Durante il processo di collisioni ripetute, i fotoni rimbalzano l'uno contro l'altro, ma in rari casi formano coppie e triplette, perdendo contemporaneamente la componente atomica rappresentata dall'atomo di rubidio.
Ma per poter fare qualcosa con la luce, bisogna catturarla. Ecco perché è necessario un risonatore ottico, che è un insieme di elementi riflettenti che formano un'onda luminosa stazionaria.
In questo studio, un ruolo fondamentale è svolto da particelle esotiche ancora più insolite: gli eccitoni-polaritoni, che si formano grazie alla forte interazione tra eccitoni e fotoni catturati in un risonatore ottico.
Tuttavia, questo non è sufficiente, poiché è necessaria una base materiale, così da dire. E chi meglio dei dicalcogenuidi dei metalli di transizione (DCM) può svolgere questo ruolo? Più specificamente, come materiale emettente è stato utilizzato un mono strato di WS2 (disolfuro di tungsteno), che presenta energie di legame degli eccitoni notevoli, il che è diventato uno dei criteri principali 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 mono strato di WS2 è posizionato tra sottili barriere tunnel esagonali di nitruro di boro (hBN), con strati di grafene che fungono da elettrodi.
Risultati dello studio
Il WS2, essendo un dicalcogenuido dei metalli di transizione, è anche un materiale Van der Waals (vdW) a strati atomici. Questo denota 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 LED. Combinazioni simili di materiali Van der Waals e polaritoni sono state già realizzate in passato, come sottolineano i ricercatori. Tuttavia, nei lavori precedenti, i sistemi ottenuti risultavano complessi e imperfetti, e non svelavano tutto il potenziale di ciascuno dei componenti.
Una delle idee, ispirata dai predecessori, è stata l'applicazione di una piattaforma materiale bidimensionale. In questo caso, è possibile realizzare dispositivi con strati emissivi atomisticamente sottili, che possono essere integrati con altri materiali vdW, fungendo da contatti (grafene) e barriere tunnel (hBN). Inoltre, tale bidimensionalità consente di combinare diodi a polaritoni con materiali vdW che possiedono proprietà magnetiche insolite, superconduttività elevata e/o trasferimenti topologici non standard. Di conseguenza, è possibile ottenere un nuovo tipo di dispositivo, le cui proprietà possono essere piuttosto singolari. Ma, come dicono gli scienziati, questo è un argomento per una ricerca futura.
Immagine n. 1
Nell'immagine 1a è mostrata una modello tridimensionale del dispositivo, che ricorda una torta a strati. Come specchio superiore del resonatore ottico funge uno strato d'argento, mentre come inferiore — un distribuito a 12 strati riflettore di Bragg*. Nella zona attiva è posizionata una zona tunnel.
Riflettore di Bragg distribuito* — è una struttura composta da più strati, in cui l'indice di rifrazione del materiale cambia periodicamente perpendolarmente agli strati.
La zona tunnel è composta da una eterostruttura vdW costituita da un monostrato di WS2 (emettitore di luce), strati sottili di hBN su entrambi i lati del monostrato (barriera tunnel) e grafene (elettrodi trasparenti per l'inserimento di elettroni e lacune).
Sono stati aggiunti altri due strati di WS2 per aumentare la potenza complessiva del generatore e, di conseguenza, per uno sdoppiamento più marcato degli stati di polaritoni di Rabi.
La modalità di funzionamento del resonatore è regolata variando lo spessore dello strato di PMMA (polimetilmetacrilato, ovvero plexiglass).
L'immagine 1b questa è un'immagine dell'eterostruttura vdW sulla superficie del riflettore di Bragg distribuito. A causa dell'elevata capacità riflettente del riflettore di Bragg distribuito, che è lo strato inferiore, la zona tunnel nell'immagine presenta un contrasto di riflessione molto basso, risultando visibile solo il spesso strato superiore di hBN.
Il grafico 1C rappresenta un diagramma di zona vdW di eterostrutture nella geometria del tunnel sotto spostamento. L'elettroluminescenza (EL) è osservata al di sopra della tensione soglia, quando il livello di Fermi del grafene superiore (inferiore) è spostato sopra (sotto) la banda di conduzione (valenza) di WS2, permettendo all'elettrone (alla lacuna) di tunnelare nella banda di conduzione (valenza) di WS2. Ciò crea condizioni favorevoli per la formazione di eccitoni nello strato di WS2 con successiva ricombinazione radiante (emissiva) elettrone-lacuna.
A differenza degli emettitori a base di giunzioni p-n, il cui funzionamento richiede il doping, l'EL dei dispositivi a tunnel dipende esclusivamente dalla corrente di tunnel, il che consente di evitare perdite ottiche e qualsiasi variazione della resistività causata dalla variazione della temperatura. Allo stesso tempo, l'architettura a tunnel consente un'area di emissione molto più ampia rispetto ai dispositivi a base di giunzioni p-n a dichalcogenuri.
L'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 brusco della corrente sia per la tensione positiva che per quella negativa indica la comparsa di corrente di tunnel attraverso la struttura. A uno spessore ottimale degli strati di hBN (~2 nm) si osserva una notevole corrente di tunnel e un aumento del tempo di vita dei portatori impiantati per la ricombinazione emissiva.
Prima di condurre l'esperimento di elettroluminescenza, è stata effettuata una caratterizzazione del dispositivo in base alla capacità riflettente della luce bianca con risoluzione angolare per confermare la presenza di una forte legame di eccitoni.
Immagine n. 2
Nell'immagine 2a sono mostrati gli spettri di riflessione con risoluzione angolare dalla regione attiva del dispositivo, dimostrando un comportamento che ostacola l'attraversamento. È stata inoltre osservata fotoluminescenza (PL) sotto eccitazione non risonante (460 nm), dimostrando una intensa emissione dal ramo inferiore del polaritone e una emissione più debole dal ramo superiore del polaritone (2b).
A 2s mostra la dispersione di elettroluminescenza del polaritone con un'iniezione di 0,1 µA/mk². La scissione di Rabi e il disallineamento del risonatore, ottenuti tramite l'adattamento dei modi dell'oscillatore (linea bianca continua e linea tratteggiata) all'esperimento di elettroluminescenza, sono rispettivamente di circa 33 meV e circa -13 meV. Il disallineamento del risonatore è definito come δ = Ec − Ex, dove Ex è l'energia dell'exciton e Ec indica l'energia del fotone del risonatore con momento zero nel piano. Grafico 2d è un taglio a diversi angoli della dispersione elettroluminescente. Qui è ben visibile la dispersione dei modi del polaritone superiore e inferiore con l'antincrocio che si verifica nella zona di risonanza dell'exciton.
Immagine n. 3
Con l'aumento della corrente di tunneling, l'intensità totale dell'EL aumenta. Un debole EL dai polaritoni è osservato vicino al valore di soglia di spostamento (3a), mentre a uno spostamento sufficientemente grande sopra la soglia l'emissione del polaritone diventa evidente (3b).
Nell'immagine 3s mostra un diagramma polare dell'intensità di EL in funzione dell'angolo, rappresentando un cono stretto di emissione di ± 15°. Il diagramma di radiazione rimane praticamente invariato sia per la corrente di eccitazione minima (curva verde) che per quella massima (curva arancione). Su 3d è mostrata l'intensità integrata a diversi correnti di tunneling mobili, che, come si può vedere dal grafico, è sufficientemente lineare. Pertanto, l'aumento della corrente a valori elevati può portare a una dispersione 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 non è stato possibile raggiungere ciò a causa di limitazioni legate alla rottura dielettrica del barrier tunnel hBN.
I punti rossi su 3d indicazioni mostrano la misura di un altro indicatore: l'efficienza quantistica esterna* 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. La efficienza quantistica* è il rapporto tra il numero di fotoni, il cui assorbimento ha causato la formazione di quasicompagni, e il numero totale di fotoni assorbiti.
L'efficienza quantistica osservata è comparabile a quella di altri LED a polaritoni (basati su materiali organici, tubi di carbonio, ecc.). È importante notare che lo spessore dello strato emettitore di luce nel dispositivo in esame è di soli 0,7 nm, mentre per altri dispositivi questo valore è molto più alto. Gli scienziati non nascondono che il valore di efficienza quantistica del loro dispositivo non è il più alto, ma può essere aumentato collocando un maggior numero di monostrati all'interno della zona di tunnel, separati da sottili strati di hBN.
I ricercatori hanno anche esaminato l'effetto del disordine del risonatore sulla luce emessa dai polaritoni, realizzando un altro dispositivo, ma con un disordine più forte (- 43 meV).
Immagine n. 4
Nell'immagine 4a Sono stati mostrati gli spettri di emissione luminosa con risoluzione angolare di tale dispositivo a una densità di corrente di 0,2 µA/mm². A causa del forte disordine, il dispositivo mostra un pronunciato effetto collo di bottiglia nell'emissione luminosa, con un massimo di emissione che si verifica ad un grande angolo. Questo è ulteriormente confermato nell'immagine 4b, dove vengono confrontati i grafici polari di questo dispositivo con il primo (2s).
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Pertanto, tutte le osservazioni e le misurazioni sopra descritte confermano la presenza di elettroluminescenza a polaritoni nella struttura vdW integrata in un micro-risonatore ottico. L'architettura a tunnel del dispositivo in esame consente l'iniezione di elettroni/fori e la ricombinazione nel monostrato di WS2, che funge da emettitore di luce. È importante sottolineare che il meccanismo a tunnel del dispositivo non richiede la legatura dei componenti, il che minimizza le perdite e le varie variazioni legate alla temperatura.
È stato stabilito che l'emissione luminosa ha un'alta direzionalità a causa della dispersione del risonatore. Pertanto, un miglioramento della qualità del risonatore e un'alimentazione elettrica più elevata permetteranno di aumentare l'efficienza dei LED micro-risonatori, così come dei polaritoni micro-risonatori e dei laser fotonici controllati elettricamente.
Questo lavoro ha nuovamente confermato che i dicomposti di metalli di transizione possiedono proprietà davvero uniche e un ampio spettro di applicazioni.
Queste ricerche e invenzioni innovative possono avere un grande impatto sullo sviluppo e sulla diffusione delle tecnologie di trasmissione dati tramite LED e luce in generale. Una di queste tecnologie futuristiche è il Li-Fi, che può garantire velocità significativamente superiori rispetto al Wi-Fi attuale.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana di lavoro a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
