Li-Fi의 미래: Polaritons, Excitons, Photons 및 일부 Tungsten Disulphide

수년 동안 전 세계의 과학자들은 발명과 개선이라는 두 가지 일을 해왔습니다. 그리고 때때로 이들 중 어느 것이 더 어려운지 명확하지 않습니다. 예를 들어, 우리에게 너무 단순하고 평범해서 우리가 관심을 기울이지 않는 일반 LED를 예로 들어 보겠습니다. 그러나 엑시톤, 폴라리톤, 이황화 텅스텐을 추가하면 LED가 더 이상 평범하지 않습니다. 이 모든 난해한 용어는 매우 특이한 구성 요소의 이름이며 뉴욕 시립 대학의 과학자들은 빛을 사용하여 정보를 매우 빠르게 전송할 수 있는 새로운 시스템을 만들 수 있었습니다. 이 개발은 Li-Fi 기술 향상에 도움이 될 것입니다. 사용된 신기술의 성분은 정확히 무엇이며, 이 "접시"의 제조법은 무엇이며 새로운 엑시톤-폴라리톤 LED의 효율성은 무엇입니까? 과학자들의 보고서가 이에 대해 알려줄 것입니다. 가다.

연구기반

모든 것을 한 단어로 단순화하면 이 기술은 가볍고 모든 것이 연결됩니다. 첫째, 광자가 중간 여기(포논, 엑시톤, 플라즈몬, 마그논 등)와 상호 작용할 때 발생하는 폴라리톤입니다. 둘째, 엑시톤은 유전체, 반도체 또는 금속의 전자 여기이며 결정을 통해 이동하며 전하 및 질량의 이동과 관련이 없습니다.

이러한 준입자는 추위를 매우 좋아한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그들의 활동은 극도로 낮은 온도에서만 관찰될 수 있으며, 이는 실제 적용을 심각하게 제한합니다. 그러나 그것은 이전이었습니다. 이 작업에서 과학자들은 온도 제한을 극복하고 상온에서 사용할 수 있었습니다.

polaritons의 주요 기능은 광자를 서로 결합하는 기능입니다. 루비듐 원자와 충돌하는 광자는 질량을 얻습니다. 여러 번의 충돌 과정에서 광자는 서로 튕겨 나가지만 드물게 쌍과 삼중항을 형성하고 루비듐 원자로 대표되는 원자 구성 요소를 잃습니다.

하지만 빛으로 무언가를 하기 위해서는 빛을 잡아야 합니다. 이를 위해서는 정재파를 형성하는 반사 요소의 조합인 광학 공진기가 필요합니다.

이 연구에서는 광학 공동에 갇힌 여기자와 광자의 강한 결합으로 인해 형성되는 훨씬 더 특이한 준입자인 여기자-폴라리톤이 중요한 역할을 합니다.

그러나 말하자면 물질적 기반이 필요하기 때문에 이것만으로는 충분하지 않습니다. 그리고 TDM(Transition Metal dichalcogenide)이 아니라면 누가 다른 것보다 이 역할을 더 잘 수행할 것입니까? 보다 정확하게는 WS2(이황화텅스텐) 단일층을 발광 물질로 사용했는데, 여기자 결합 에너지가 인상적이어서 소재 베이스를 선택하는 주요 기준 중 하나가 되었습니다.

위에서 설명한 모든 요소의 조합으로 실온에서 작동하는 전기 제어 극성 LED를 만들 수 있었습니다.

이 장치를 구현하기 위해 WS2 단층은 전극 역할을 하는 그래핀 층이 있는 얇은 육각형 질화붕소(hBN) 터널링 장벽 사이에 위치합니다.

연구 결과

전이 금속 디칼코게나이드인 WS2는 또한 원자적으로 얇은 반 데르 발스(vdW) 물질입니다. 이는 고유한 전기적, 광학적, 기계적 및 열적 특성을 나타냅니다.

그래핀(도체) 및 육각형 질화붕소(hBN, 절연체)와 같은 다른 vdW 재료와 결합하여 LED를 포함하는 전기적으로 제어되는 다양한 반도체 장치를 실현할 수 있습니다. 반 데르 발스 물질과 폴라리톤의 유사한 조합은 연구원들이 솔직하게 말한 것처럼 이전에 이미 실현되었습니다. 그러나 이전 글에서 결과 시스템은 복잡하고 불완전했으며 각 구성 요소의 전체 잠재력을 나타내지 않았습니다.

이전 모델에서 영감을 받은 아이디어 중 하나는 XNUMX차원 재료 플랫폼을 사용하는 것이었습니다. 이 경우 접점(그래핀) 및 터널링 장벽(hBN) 역할을 하는 다른 vdW 재료와 통합할 수 있는 원자적으로 얇은 발광층으로 장치를 구현할 수 있습니다. 또한 이 XNUMX차원성은 비정상적인 자기 특성, 강한 초전도성 및/또는 비표준 토폴로지 전송을 가진 vdW 재료와 polariton LED를 결합하는 것을 가능하게 합니다. 이러한 조합의 결과로 완전히 새로운 유형의 장치를 얻을 수 있으며 그 속성은 매우 이례적일 수 있습니다. 그러나 과학자들이 말했듯이 이것은 다른 연구의 주제입니다.

이미지 #1

이미지에 1а 레이어 케이크와 유사한 장치의 12차원 모델을 보여줍니다. 광공진기의 상부 거울은 은층, 하부는 XNUMX층 분포 브래그 반사경*. 활성 영역에 터널 영역이 있습니다.

분산 브래그 반사경* - 재료의 굴절률이 주기적으로 층에 수직으로 변화하는 여러 층의 구조.

터널 구역은 WS2 단일층(발광체), 단일층 양면의 얇은 hBN 층(터널 장벽) 및 그래핀(전자 및 정공 도입을 위한 투명 전극)으로 구성된 vdW 이종 구조로 구성됩니다.

오실레이터의 전체 강도를 높이고 따라서 폴라리톤 상태의 더 뚜렷한 Rabi 분할을 갖기 위해 두 개의 WS2 레이어가 추가되었습니다.

공진기의 작동 모드는 PMMA 층(폴리메틸 메타크릴레이트, 즉 플렉시 유리)의 두께를 변경하여 조정됩니다.

Изображение 1b 이것은 분포된 브래그 반사기의 표면에 있는 vdW 이종 구조의 스냅샷입니다. 바닥층인 분포 브래그 반사경의 반사율이 높기 때문에 이미지의 터널 영역은 반사 콘트라스트가 매우 낮고 그 결과 hBN의 상부 두꺼운 층만 관찰됩니다.

예정 1c 변위 하의 터널 형상에서 vdW 이종 구조의 구역 다이어그램을 나타냅니다. 전자발광(EL)은 상부(하부) 그래핀의 페르미 준위가 WS2 전도(가자)대 위(아래)로 이동하여 전자(정공)가 WS2 전도(가자)로 터널링될 때 임계 전압 이상에서 관찰됩니다. 밴드. 이는 WS2 층에서 엑시톤 형성에 이어 복사(방사) 전자-정공 재결합에 유리한 조건을 만듭니다.

작동하려면 도핑이 필요한 pn 접합 기반 발광기와 달리 터널 장치의 EL은 터널 전류에만 의존하므로 광 손실과 온도 변화로 인한 저항 변화를 방지합니다. 동시에 터널 구조는 pn 접합을 기반으로 하는 디칼코게나이드 장치에 비해 훨씬 더 큰 방사 영역을 허용합니다.

Изображение 1d 터널링 전류 밀도의 전기적 특성을 보여줍니다 (J) 바이어스 전압의 함수(V) 그래핀 전극 사이. 양의 전압과 음의 전압 모두에 대한 전류의 급격한 증가는 구조를 통한 터널링 전류의 발생을 나타냅니다. hBN 층의 최적 두께(~2nm)에서 상당한 터널링 전류와 복사 재결합을 위한 주입된 캐리어의 수명 증가가 관찰됩니다.

전계발광 실험에 앞서, 장치는 강한 엑시톤 결합의 존재를 확인하기 위해 각도 분해능을 갖는 백색광 반사율로 특성화되었습니다.

이미지 #2

이미지에 2а 장치의 활성 영역에서 각도 분해 반사율 스펙트럼이 표시되어 교차 방지 동작을 보여줍니다. PL(Photoluminescence)도 비공진 여기(460 nm)에서 관찰되었는데, 폴라리톤의 아래쪽 가지에서 강한 방출을 보이고 폴라리톤의 위쪽 가지에서 약한 방출을 보였다(2b).

에 2c 0.1 μA/μm2의 삽입에 대해 폴라리톤의 전기발광 분산이 표시됩니다. 전계발광 실험에 오실레이터 모드(실선 및 흰색 점선)를 피팅하여 얻은 Rabi 분할 및 공진기 디튜닝은 각각 ~33 meV 및 ~-13 meV입니다. 공진기 디튜닝은 δ = Ec - Ex로 정의되며, 여기서 Ex는 엑시톤 에너지이고 Ec는 면내 운동량이 XNUMX인 공진기 광자 에너지입니다. 일정 2d 전계발광 분산과 다른 각도에서 자른 것입니다. 여기에서 엑시톤 공진 영역에서 교차 방지가 발생하는 상부 및 하부 극성 모드의 분산을 명확하게 볼 수 있습니다.

이미지 #3

터널링 전류가 증가함에 따라 총 EL 강도가 증가합니다. polaritons의 약한 EL은 임계값 변위 근처에서 관찰됩니다(3а), 임계값 위의 충분히 큰 이동에서 폴라리톤 방출이 뚜렷해집니다(3b).

이미지에 3c ± 15 °의 좁은 방출 원뿔을 묘사하는 각도의 함수로서 EL 강도의 극좌표 그래프를 보여줍니다. 방사 패턴은 최소(녹색 곡선) 및 최대(주황색 곡선) 여기 전류 모두에 대해 거의 변하지 않습니다. ~에 3d 통합 강도는 그래프에서 볼 수 있듯이 매우 선형인 다양한 이동 터널 전류에 대해 표시됩니다. 따라서 전류를 높은 값으로 높이면 아래쪽 분기를 따라 폴라리톤이 성공적으로 산란되고 폴라리톤 생성으로 인해 매우 좁은 방사 패턴이 생성될 수 있습니다. 그러나 본 실험에서는 hBN 터널링 배리어의 유전 파괴와 관련된 한계로 인해 불가능하였다.

에 빨간 점 3d 다른 지표의 측정값 표시 - 외부 양자 효율*.

양자 효율* 흡수된 광자의 총 수에 대한 준입자의 형성을 야기한 흡수의 광자 수의 비율입니다.

관찰된 양자 효율은 다른 polariton LED(유기 재료, 탄소 튜브 등 기반)의 양자 효율과 비슷합니다. 연구 중인 장치의 발광층 두께는 0.7nm에 불과하지만 다른 장치에서는 이 값이 훨씬 더 높다는 점에 유의해야 합니다. 과학자들은 장치의 양자 효율 지수가 가장 높지 않다는 사실을 숨기지 않지만 hBN의 얇은 층으로 분리된 터널 영역 내부에 더 많은 수의 단층을 배치하여 증가시킬 수 있습니다.

연구원들은 또한 더 강한 디튜닝(-43 meV)을 사용하여 다른 장치를 만들어 공진기 디튜닝이 폴라리톤 EL에 미치는 영향을 테스트했습니다.

이미지 #4

이미지에 4а EL 스펙트럼은 0.2 μA/μm2의 전류 밀도에서 이러한 장치의 각도 분해능으로 표시됩니다. 강한 이조로 인해 장치는 큰 각도에서 발생하는 방출 최대값과 함께 EL에서 현저한 병목 현상을 나타냅니다. 이것은 이미지에서 더 확인됩니다. 4b, 여기서 이 장치의 극좌표는 첫 번째(2c).

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서.

커튼콜

따라서, 위에서 설명한 모든 관찰 및 측정은 광학 미세 공동에 내장된 vdW 이종 구조에서 폴라리톤 전자발광의 존재를 확인합니다. 연구 중인 장치의 터널 구조는 발광체 역할을 하는 WS2 단층에서 전자/정공 및 재결합의 도입을 보장합니다. 장치의 터널 메커니즘은 손실 및 다양한 온도 관련 변화를 최소화하는 구성 요소의 합금화를 필요로 하지 않는 것이 중요합니다.

EL은 공진기의 분산으로 인해 높은 지향성을 가짐을 알 수 있었다. 따라서 공진기의 품질 계수와 더 높은 전류 공급을 개선하면 마이크로캐비티 LED와 전기 제어 마이크로캐비티 폴라리톤 및 광자 레이저의 효율이 향상됩니다.

이 작업은 전이 금속 디칼코게나이드가 진정으로 독특한 특성과 매우 광범위한 응용 분야를 가지고 있음을 다시 한 번 확인했습니다.

이러한 연구와 혁신적인 발명은 LED와 빛 자체를 통한 데이터 전송 기술의 개발 및 보급에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 미래형 기술에는 현재 사용 가능한 Wi-Fi보다 훨씬 빠른 속도를 제공할 수 있는 Li-Fi가 포함됩니다.

많은 관심 부탁드리며 모두들 즐거운 한주 보내세요! 🙂

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출처 : habr.com