Li-Fi の未来: ポラリトン、励起子、光子、および二硫化タングステンの一部

長年にわたり、世界中の科学者は発明と改良という XNUMX つのことに取り組んできました。 そして、どちらがより難しいかが明らかでない場合もあります。 たとえば、普通の LED を考えてみましょう。LED は私たちにとって非常にシンプルでありふれたものに見えるため、注意を払うことさえありません。 しかし、いくつかの励起子、ひとつまみのポラリトン、そして二硫化タングステンを好みに加えれば、LED はもはやそれほど平凡ではなくなります。 これらすべての難解な用語は非常に珍しいコンポーネントの名前であり、ニューヨーク市立大学の科学者たちはこれらを組み合わせることで、光を使って極めて迅速に情報を伝達できる新しいシステムを作成することができました。 この開発は、Li-Fi 技術の向上に役立ちます。 新しい技術の正確な材料は何ですか、この「料理」のレシピは何ですか、そして新しい励起子ポラリトン LED の動作効率は何ですか? 科学者の報告書がこれについて教えてくれます。 行く。

研究根拠

すべてを一言で単純化すると、このテクノロジーは光であり、すべてがそれに関連しているということになります。 まず、ポラリトン。光子が媒質の励起（フォノン、励起子、プラズモン、マグノンなど）と相互作用するときに発生します。 第二に、励起子は誘電体、半導体、または金属内の電子励起であり、結晶全体を移動し、電荷や質量の移動には関与しません。

これらの準粒子は寒さを非常に好むことに注意することが重要です。 その活性は極低温でのみ観察できるため、実用化は大きく制限されます。 しかし、それは以前のことです。 この研究では、科学者は温度制限を克服し、室温で使用することができました。

ポラリトンの主な特徴は、光子を互いに結合する能力です。 ルビジウム原子と衝突した光子は質量を獲得します。 衝突が繰り返される過程で、光子は互いに跳ね返りますが、まれに、ルビジウム原子に代表される原子成分を失いながら、ペアや三重項を形成します。

しかし、光で何かをするには、それを捕まえる必要があります。 このためには、定常光波を形成する一連の反射素子である光共振器が必要です。

この研究では、最も重要な役割は、さらに珍しい準粒子である励起子ポラリトンによって演じられています。励起子ポラリトンは、光空洞に閉じ込められた励起子と光子の強い結合によって形成されます。

しかし、これだけでは十分ではありません。いわば物質的な根拠が必要です。 そして、遷移金属ジカルコゲニド (TMD) よりもこの役割を担うのは誰でしょうか? より正確には、WS2 (二硫化タングステン) 単層が発光材料として使用されました。これは、優れた励起子結合エネルギーを持ち、これが材料ベースを選択するための主な基準の XNUMX つになりました。

上記のすべての要素を組み合わせることで、室温で動作する電気制御されたポラリトン LED を作成することができました。

このデバイスを実現するには、WS2 の単層を、電極として機能するグラフェン層を備えた薄い六方晶窒化ホウ素 (hBN) トンネル障壁の間に挟みます。

研究成果

WS2 は遷移金属ジカルコゲニドであり、原子的に薄いファンデルワールス (vdW) 材料でもあります。 これは、その独特の電気的、光学的、機械的、熱的特性を物語っています。

グラフェン (導体として) や六方晶窒化ホウ素 (hBN、絶縁体として) などの他の vdW 材料と組み合わせることで、LED を含む多数の電気制御半導体デバイスを実現できます。 研究者らが公然と述べているように、ファンデルワールス材料とポラリトンの同様の組み合わせは以前にもすでに実現されている。 しかし、以前の研究では、結果として得られるシステムは複雑かつ不完全であり、各コンポーネントの可能性を最大限に発揮することはできませんでした。

先人たちからインスピレーションを得たアイデアの XNUMX つは、XNUMX 次元マテリアル プラットフォームの使用でした。 この場合、コンタクト（グラフェン）およびトンネルバリア（hBN）として機能する他のvdW材料と統合できる、原子的に薄い発光層を備えたデバイスを実現することが可能です。 さらに、このような二次元性により、ポラリトン LED を、異常な磁気特性、強力な超伝導性、および/または非標準的なトポロジカル転移を有する vdW 材料と組み合わせることが可能になります。 このような組み合わせの結果、まったく新しいタイプのデバイスが得られ、その特性は非常に珍しい場合があります。 しかし、科学者たちが言うように、これは別の研究のテーマです。

画像 #1

画像上 1а は、レイヤーケーキに似たデバイスの 12 次元モデルを示しています。 光共振器の上部ミラーは銀の層で、下部ミラーはXNUMX層の分散層です。 ブラッグリフレクター*。 アクティブ領域にはトンネル ゾーンが含まれます。

分散型ブラッグリフレクター* - 材料の屈折率が層に対して垂直に周期的に変化する複数の層の構造。

トンネルゾーンは、WS2単層（発光体）、単層の両側のhBNの薄層（トンネルバリア）、およびグラフェン（電子と正孔を導入するための透明電極）からなるvdWヘテロ構造で構成されています。

さらに 2 つの WSXNUMX 層が追加されて、発振器の全体的な強度が向上し、ポラリトン状態のより顕著なラビ分割が生成されました。

共振器の動作モードは、PMMA 層 (ポリメチルメタクリレート、つまりプレキシガラス) の厚さを変更することで調整されます。

Изображение 1b これは、分布ブラッグ反射鏡の表面上の vdW ヘテロ構造のスナップショットです。 最下層である分布ブラッグ反射体の反射率が高いため、画像内のトンネルゾーンの反射率コントラストは非常に低く、その結果、上部の厚い hBN 層のみが観察されます。

スケジュール 1c 図は、変位下のトンネル形状のヘテロ構造の vdW ゾーン ダイアグラムです。 エレクトロルミネッセンス (EL) は、上部 (底部) グラフェンのフェルミ準位が WS2 の伝導 (価電子) バンドの上 (下) にシフトし、電子 (正孔) が伝導 (価電子) にトンネルできるときに、しきい値電圧を超えて観察されます。 WS2のバンドです。 これにより、WS2 層内で励起子が形成され、その後の放射 (放射) 電子と正孔の再結合が起こるための好ましい条件が生み出されます。

動作するためにドーピングが必要なpn接合発光体とは異なり、トンネルデバイスからのELはトンネル電流のみに依存し、光損失や温度変化による抵抗率の変化を回避します。 同時に、トンネル構造により、pn 接合に基づくダイカルコゲナイドデバイスと比較して、はるかに大きな発光領域が可能になります。

Изображение 1d トンネル電流密度の電気的特性を示します (J) バイアス電圧の関数として (V) グラフェン電極間。 正と負の両方の電圧で電流が急激に増加する場合は、構造内でトンネル電流が発生していることを示します。 hBN 層の最適な厚さ (約 2 nm) では、顕著なトンネル電流と、発光再結合のための埋め込みキャリアの寿命の延長が観察されます。

エレクトロルミネッセンス実験を行う前に、角度分解白色光反射率によってデバイスの特性を評価し、強い励起子結合の存在を確認しました。

画像 #2

画像上 2а デバイスのアクティブ領域からの角度分解反射率スペクトルが示されており、交差防止動作が実証されています。 フォトルミネッセンス (PL) も非共鳴励起 (460 nm) で観察され、下部ポラリトン ブランチからの強い発光と上部ポラリトン ブランチからの弱い発光が示されました (2b).

На 2c 図は、注入率 0.1 μA/μm2 におけるポラリトンエレクトロルミネッセンスの分散を示しています。 発振器モード（実線と白破線）をEL実験に当てはめることによって得られたラビ分割とキャビティ離調は、それぞれ～33 meVと～-13 meVです。 共振器の離調は、δ = Ec − Ex として定義されます。ここで、Ex は励起子エネルギー、Ec は面内のゼロ運動量共振器光子エネルギーを示します。 スケジュール 2d これは、エレクトロルミネッセンス分散液をさまざまな角度で切り取ったものです。 ここでは、励起子共鳴ゾーンで発生する逆交差を伴う上部および下部ポラリトン モードの分散がはっきりと見えます。

画像 #3

トンネル電流が増加すると、全体的な EL 強度が増加します。 ポラリトンからの弱い EL が閾値シフト付近で観察されます (3а)、しきい値を超える十分に大きな変位では、ポラリトンの放出が明確になります (3b).

画像上 3c 図は、角度の関数としてのEL強度の極プロットを示し、±15°の狭い発光円錐を示しています。 放射パターンは、最小励起電流 (緑色の曲線) と最大励起電流 (オレンジ色の曲線) の両方で実質的に変化しません。 の上 3d は、さまざまな移動トンネル電流の積分強度を示しています。グラフからわかるように、これは非常に線形です。 したがって、電流を高い値に増やすと、下部ブランチに沿ってポラリトンがうまく散乱され、ポラリトンの生成により非常に狭い放射パターンが作成される可能性があります。 ただし、この実験では、hBN トンネル バリアの絶縁破壊に関連する制限により、これを達成することはできませんでした。

赤い点が付いています 3d 別のインジケーターの測定値を表示 - 外部 量子効率*.

量子効率* — 吸収された光子の総数に対する、その吸収により準粒子の形成を引き起こした光子の数の比率。

観察された量子効率は、他のポラリトン LED (有機材料、カーボン チューブなどに基づく) の量子効率に匹敵します。 研究中のデバイスでは発光層の厚さがわずか0.7 nmであるのに対し、他のデバイスではこの値ははるかに大きいことに注目する価値があります。 科学者らは、デバイスの量子効率が最高ではないという事実を隠していないが、トンネルゾーン内にhBNの薄い層で分離されたより多くの単層を配置することで、量子効率を高めることができる。

研究者らはまた、より強力な離調（-43 meV）を伴う別のデバイスを作成して、ポラリトン EL に対する共振器離調の影響をテストしました。

画像 #4

画像上 4а このようなデバイスの角度分解能を備えた EL スペクトルは、電流密度 0.2 μA/μm2 で示されています。 強い離調により、デバイスは EL で顕著なボトルネック効果を示し、発光最大値が大きな角度で発生します。 これは画像でさらに確認されます 4bここで、このデバイスの極座標グラフが最初のものと比較されます (2c).

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告.

フィナーレ

したがって、上記のすべての観察および測定は、光マイクロキャビティ内に構築されたvdWヘテロ構造におけるポラリトンエレクトロルミネッセンスの存在を確認する。 研究中のデバイスのトンネル構造により、発光体として機能するWS2単層での電子/正孔の導入と再結合が確実に行われます。 デバイスのトンネル機構はコンポーネントの合金化を必要としないことが重要であり、これにより損失やさまざまな温度関連の変化が最小限に抑えられます。

ELは共振器の分散により高い指向性を持つことが分かりました。 したがって、共振器品質係数の改善とより高い電流供給により、微小共振器 LED だけでなく、電気的に制御される微小共振器ポラリトンやフォトニック レーザーの効率も向上します。

この研究により、遷移金属ジカルコゲニドが真にユニークな特性と非常に幅広い用途を持っていることが再度確認されました。

このような研究や革新的な発明は、LEDや光そのものを使ったデータ伝送技術の開発と普及に大きな影響を与える可能性があります。 このような未来的なテクノロジーには、現在利用可能な Wi-Fi よりも大幅に高速な Li-Fi が含まれます。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com