Daugelį metų mokslininkai iš viso pasaulio užsiima dviem dalykais – sugalvojo ir tobulina. Ir kartais neaišku, kas sunkiau. Paimkime, pavyzdžiui, įprastus šviesos diodus, kurie mums atrodo tokie paprasti ir įprasti, kad net nekreipiame į juos dėmesio. Bet jei pagal skonį pridėsite kelis eksitonus, žiupsnelį poliaritonų ir volframo disulfido, šviesos diodai nebebus tokie proziški. Visi šie abstraktūs terminai yra itin neįprastų komponentų pavadinimai, kurių derinys leido Niujorko miesto koledžo mokslininkams sukurti naują sistemą, galinčią itin greitai perduoti informaciją naudojant šviesą. Ši plėtra padės tobulinti Li-Fi technologiją. Kokie tikslūs naujosios technologijos ingredientai buvo panaudoti, koks šio „patiekalo“ receptas ir koks naujojo eksitono-poliaritono LED veikimo efektyvumas? Apie tai mums papasakos mokslininkų ataskaita. Eik.
Tyrimo pagrindas
Jei viską supaprastintume iki vieno žodžio, tai ši technologija yra lengva ir viskas, kas su ja susiję. Pirma, polaritonai, atsirandantys fotonams sąveikaujant su terpės sužadinimais (fononais, eksitonais, plazmonais, magnonais ir kt.). Antra, eksitonai yra elektroniniai sužadinimai dielektrikuose, puslaidininkiuose ar metaluose, kurie migruoja per visą kristalą ir nėra susiję su elektros krūvio ir masės perdavimu.
Svarbu pažymėti, kad šios kvazidalelės labai mėgsta šaltį, t.y. Jų aktyvumą galima stebėti tik esant itin žemai temperatūrai, o tai labai riboja jų praktinį pritaikymą. Bet tai buvo anksčiau. Šiame darbe mokslininkai sugebėjo įveikti temperatūros apribojimą ir naudoti juos kambario temperatūroje.
Pagrindinė polaritonų savybė yra gebėjimas surišti fotonus vienas su kitu. Fotonai, susidūrę su rubidžio atomais, įgyja masę. Pasikartojančių susidūrimų metu fotonai atsimuša vienas nuo kito, tačiau retais atvejais jie sudaro poras ir tripletus, prarasdami atominį komponentą, kurį reprezentuoja rubidžio atomas.
Tačiau norint ką nors padaryti su šviesa, reikia ją pagauti. Tam reikalingas optinis rezonatorius, kuris yra atspindinčių elementų rinkinys, formuojantis stovinčią šviesos bangą.
Šiame tyrime svarbiausias vaidmuo tenka dar neįprastesnėms kvazidalelėms – eksitonams-poliaritonams, kurie susidaro dėl stiprios optinėje ertmėje įstrigusių eksitonų ir fotonų sankabos.
Tačiau to neužtenka, nes reikia, galima sakyti, materialaus pagrindo. Ir kas geriau nei pereinamojo metalo dikalkogenidas (TMD) atliks šį vaidmenį? Tiksliau, kaip skleidžianti medžiaga buvo naudojamas WS2 (volframo disulfido) monosluoksnis, pasižymintis įspūdingomis eksitono surišimo energijomis, kurios tapo vienu iš pagrindinių kriterijų renkantis materialinę bazę.
Visų aukščiau aprašytų elementų derinys leido sukurti elektra valdomą polaritoninį šviesos diodą, veikiantį kambario temperatūroje.
Norint įgyvendinti šį įrenginį, vienas WS2 sluoksnis yra įterptas tarp plonų šešiakampių boro nitrido (hBN) tunelio barjerų su grafeno sluoksniais, veikiančiais kaip elektrodai.
Tyrimo rezultatai
WS2, kaip pereinamojo metalo dikalkogenidas, taip pat yra atomiškai plona van der Waals (vdW) medžiaga. Tai byloja apie jo unikalias elektrines, optines, mechanines ir šilumines savybes.
Kartu su kitomis vdW medžiagomis, tokiomis kaip grafenas (kaip laidininkas) ir šešiakampis boro nitridas (hBN, kaip izoliatorius), galima realizuoti daugybę elektra valdomų puslaidininkinių įtaisų, įskaitant šviesos diodus. Panašūs van der Waals medžiagų ir poliaritonų deriniai jau buvo realizuoti anksčiau, kaip atvirai teigia tyrėjai. Tačiau ankstesniuose darbuose sukurtos sistemos buvo sudėtingos ir netobulos ir neatskleidė viso kiekvieno komponento potencialo.
Viena iš pirmtakų įkvėptų idėjų buvo dvimatės medžiagos platformos naudojimas. Tokiu atveju galima realizuoti įrenginius su atomiškai plonais skleidžiančiais sluoksniais, kurie gali būti integruoti su kitomis vdW medžiagomis, veikiančiomis kaip kontaktai (grafenas) ir tunelio barjerai (hBN). Be to, toks dvimatiškumas leidžia derinti polaritoninius šviesos diodus su vdW medžiagomis, kurios pasižymi neįprastomis magnetinėmis savybėmis, stipriu superlaidumu ir/arba nestandartiniais topologiniais perdavimais. Dėl tokio derinio galima gauti visiškai naujo tipo įrenginį, kurio savybės gali būti gana neįprastos. Tačiau, kaip teigia mokslininkai, tai yra kito tyrimo tema.
1 vaizdas
Vaizde 1 parodytas trimatis įrenginio modelis, primenantis sluoksniuotą pyragą. Viršutinis optinio rezonatoriaus veidrodis yra sidabro sluoksnis, o apatinis veidrodis yra 12 sluoksnių. Bragg atšvaitas*. Aktyviame regione yra tunelio zona.
Paskirstytas Bragg atšvaitas* - kelių sluoksnių struktūra, kurioje medžiagos lūžio rodiklis periodiškai keičiasi statmenai sluoksniams.
Tunelio zoną sudaro vdW heterostruktūra, susidedanti iš WS2 monosluoksnio (šviesos skleidėjo), plonų hBN sluoksnių abiejose vienasluoksnio sluoksnio pusėse (tunelio barjeras) ir grafeno (skaidrūs elektrodai elektronams ir skylėms įvesti).
Buvo pridėti dar du WS2 sluoksniai, kad padidėtų bendras osciliatoriaus stiprumas ir būtų ryškesnis poliaritono būsenų padalijimas pagal Rabi.
Rezonatoriaus darbo režimas reguliuojamas keičiant PMMA sluoksnio (polimetilmetakrilato, t.y. organinio stiklo) storį.
Изображение 1b Tai momentinis vdW heterostruktūros vaizdas paskirstyto Bragg reflektoriaus paviršiuje. Dėl didelio paskirstytojo Bragg reflektoriaus, kuris yra apatinis sluoksnis, atspindžio, vaizde esančio tunelio zonos atspindžio kontrastas yra labai mažas, todėl stebimas tik viršutinis storas hBN sluoksnis.
Planuoti 1-ieji vaizduoja heterostruktūros vdW zonos diagramą poslinkio tunelio geometrijoje. Elektroliuminescencija (EL) stebima virš slenkstinės įtampos, kai viršutinio (apačio) grafeno Fermi lygis pasislenka aukščiau (žemiau) WS2 laidumo (valentinės) juostos, leidžiant elektronui (skylei) patekti į laidumą (valentingumą). WS2 juosta. Tai sukuria palankias sąlygas eksitonų susidarymui WS2 sluoksnyje su vėlesne radiacine (radiacine) elektronų skylių rekombinacija.
Skirtingai nuo pn sandūros šviesos skleidėjų, kurių veikimui reikalingas legiravimas, EL iš tunelio įrenginių priklauso tik nuo tunelio srovės, todėl išvengiama optinių nuostolių ir bet kokių varžos pokyčių, kuriuos sukelia temperatūros pokyčiai. Tuo pačiu metu tunelio architektūra leidžia pasiekti daug didesnį emisijos regioną, palyginti su dikalkogenido prietaisais, pagrįstais pn jungtimis.
Изображение 1d parodo tunelio srovės tankio elektrines charakteristikas (J) kaip poslinkio įtampos funkcija (V) tarp grafeno elektrodų. Staigus teigiamos ir neigiamos įtampos srovės padidėjimas rodo tunelio srovės atsiradimą per konstrukciją. Esant optimaliam hBN sluoksnių storiui (~ 2 nm), pastebima reikšminga tuneliavimo srovė ir pailgėja įterptųjų nešiklių, skirtų radiacinei rekombinacijai, tarnavimo laikas.
Prieš atliekant elektroliuminescencijos eksperimentą, prietaisas buvo apibūdintas kampo skiriamuoju baltos šviesos atspindžiu, kad patvirtintų stiprios eksitoninės jungties buvimą.
2 vaizdas
Vaizde 2 Rodomi kampo skiriamosios gebos atspindžio spektrai iš aktyviosios įrenginio srities, parodantys, kad elgesys yra apsaugotas nuo kirtimo. Fotoliuminescencija (PL) taip pat buvo stebima esant nerezonansiniam sužadinimui (460 nm), o tai rodo intensyvią spinduliuotę iš apatinės poliaritono šakos ir silpnesnę emisiją iš viršutinės poliaritono šakos (2b).
Apie 2-ieji parodyta poliaritono elektroliuminescencijos dispersija esant 0.1 μA/μm2 įpurškimo greičiui. Rabi skilimas ir ertmės derinimas, gautas pritaikant osciliatoriaus režimus (vientisa ir brūkšninė balta linija) EL eksperimentui, yra atitinkamai ～33 meV ir ～-13 meV. Ertmės derinimas apibrėžiamas kaip δ = Ec − Ex, kur Ex yra eksitono energija, o Ec reiškia plokštumos nulinio impulso ertmės fotono energiją. Tvarkaraštis 2d Tai pjūvis skirtingais kampais nuo elektroliuminescencinės dispersijos. Čia aiškiai matoma viršutinio ir apatinio poliaritono režimų dispersija su antikryžminiu, vykstančiu eksitono rezonanso zonoje.
3 vaizdas
Didėjant tuneliavimo srovei, bendras EL intensyvumas didėja. Silpnas EL iš poliaritonų stebimas netoli slenksčio poslinkio (3), nors esant pakankamai dideliam poslinkiui virš slenksčio, poliaritonų emisija tampa aiški (3b).
Vaizde 3-ieji parodyta EL intensyvumo poliarinė diagrama kaip kampo funkcija, vaizduojanti siaurą ±15° spinduliavimo kūgį. Spinduliuotės modelis išlieka beveik nepakitęs tiek minimaliai (žalioji kreivė), tiek maksimaliai (oranžinė kreivė) sužadinimo srovei. Įjungta 3d parodytas integruotas intensyvumas įvairioms judančioms tunelio srovėms, kuris, kaip matyti iš grafiko, yra gana tiesinis. Todėl, padidinus srovę iki didelių verčių, polaritonai gali sėkmingai išsibarstyti išilgai apatinės šakos ir sukurti itin siaurą emisijos modelį dėl polaritonų susidarymo. Tačiau šiame eksperimente to nebuvo įmanoma pasiekti dėl apribojimų, susijusių su hBN tunelio barjero dielektriniu skilimu.
Raudoni taškai 3d parodyti kito rodiklio – išorinio – matavimus kvantinis efektyvumas*.
Kvantinis efektyvumas* — fotonų, kurių sugertis sukėlė kvazidalelių susidarymą, skaičiaus ir bendro sugertų fotonų skaičiaus santykis.
Pastebėtas kvantinis efektyvumas yra panašus į kitų polaritoninių šviesos diodų (pagal organines medžiagas, anglies vamzdelius ir kt.) efektyvumą. Verta pažymėti, kad tiriamame įrenginyje šviesą skleidžiančio sluoksnio storis yra tik 0.7 nm, o kituose įrenginiuose ši reikšmė yra daug didesnė. Mokslininkai neslepia, kad jų įrenginio kvantinis efektyvumas nėra pats didžiausias, tačiau jį galima padidinti į tunelio zoną patalpinus didesnį monosluoksnių skaičių, atskirtų plonais hBN sluoksniais.
Tyrėjai taip pat išbandė rezonatoriaus detuningo poveikį polariton EL, sukurdami kitą įrenginį, bet su stipresniu detuningu (-43 meV).
4 vaizdas
Vaizde 4 Tokio prietaiso EL spektrai su kampine skiriamąja geba rodomi esant 0.2 μA/μm2 srovės tankiui. Dėl stipraus detuningo prietaisas turi ryškų kliūties efektą EL, kai emisijos maksimumas atsiranda dideliu kampu. Tai dar labiau patvirtina paveikslėlyje 4b, kur šio įrenginio poliniai grafikai lyginami su pirmuoju (2-ieji).
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti .
Epilogas
Taigi, visi aukščiau aprašyti stebėjimai ir matavimai patvirtina polaritono elektroliuminescencijos buvimą vdW heterostruktūroje, įmontuotoje į optinę mikroertmę. Tiriamo įrenginio tunelinė architektūra užtikrina elektronų/skylių įvedimą ir rekombinaciją WS2 monosluoksnyje, kuris tarnauja kaip šviesos skleidėjas. Svarbu, kad prietaiso tunelinis mechanizmas nereikalauja komponentų legiravimo, o tai sumažina nuostolius ir įvairius su temperatūros pokyčius susijusius pokyčius.
Nustatyta, kad EL turi didelį kryptingumą dėl rezonatoriaus dispersijos. Todėl pagerinus ertmės kokybės koeficientą ir didesnį srovės tiekimą, pagerės mikroertminių šviesos diodų, taip pat elektra valdomų mikroertmių poliaritonų ir fotoninių lazerių efektyvumas.
Šis darbas dar kartą patvirtino, kad pereinamųjų metalų dikalkogenidai pasižymi išties unikaliomis savybėmis ir labai plačiu pritaikymo spektru.
Tokie tyrimai ir inovatyvūs išradimai gali turėti didelės įtakos duomenų perdavimo technologijų, naudojančių šviesos diodus ir pačią šviesą, plėtrai ir sklaidai. Tokioms futuristinėms technologijoms priskiriamas Li-Fi, kuris gali užtikrinti žymiai didesnį greitį nei šiuo metu turimas Wi-Fi.
Ačiū už dėmesį, būkite smalsūs ir geros savaitės visiems! 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, 30% nuolaida Habr vartotojams unikaliam pradinio lygio serverių analogui, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 kartus pigiau? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com