Jarenlang hebben wetenschappers van over de hele wereld twee dingen gedaan: uitvinden en verbeteren. En soms is het niet duidelijk wat moeilijker is. Neem bijvoorbeeld gewone LED's, die ons zo eenvoudig en gewoon lijken dat we er niet eens aandacht aan besteden. Maar als je er naar smaak een paar excitonen, een snufje polaritonen en wolfraamdisulfide aan toevoegt, zullen LED's niet langer zo prozaïsch zijn. Al deze duistere termen zijn de namen van uiterst ongebruikelijke componenten, waarvan de combinatie wetenschappers van het City College van New York in staat stelde een nieuw systeem te creëren dat in staat is om informatie extreem snel over te dragen met behulp van licht. Deze ontwikkeling zal de Li-Fi-technologie helpen verbeteren. Welke ingrediënten van de nieuwe technologie zijn er precies gebruikt, wat is het recept voor dit “gerecht” en wat is de operationele efficiëntie van de nieuwe exciton-polariton LED? Het rapport van wetenschappers zal ons hierover vertellen. Gaan.
Onderzoeksbasis
Als we alles tot één woord vereenvoudigen, dan is deze technologie licht en alles wat daarmee samenhangt. Ten eerste de polaritonen, die ontstaan wanneer fotonen interageren met excitaties van het medium (fononen, excitonen, plasmonen, magnonen, enz.). Ten tweede zijn excitonen elektronische excitaties in een diëlektricum, halfgeleider of metaal die door het kristal migreren en niet geassocieerd zijn met de overdracht van elektrische lading en massa.
Het is belangrijk op te merken dat deze quasideeltjes erg van kou houden, d.w.z. Hun activiteit kan alleen worden waargenomen bij extreem lage temperaturen, wat de praktische toepassing ervan aanzienlijk beperkt. Maar dat was vroeger. In dit werk konden wetenschappers de temperatuurbeperking overwinnen en deze bij kamertemperatuur gebruiken.
Het belangrijkste kenmerk van polaritonen is het vermogen om fotonen met elkaar te binden. Fotonen die botsen met rubidiumatomen verwerven massa. Bij herhaalde botsingen kaatsen de fotonen met elkaar terug, maar in zeldzame gevallen vormen ze paren en tripletten, terwijl ze de atomaire component verliezen die wordt vertegenwoordigd door het rubidiumatoom.
Maar om iets met licht te doen, moet je het vangen. Hiervoor is een optische resonator nodig, een reeks reflecterende elementen die een staande lichtgolf vormen.
In deze studie wordt de belangrijkste rol gespeeld door nog ongebruikelijkere quasideeltjes: exciton-polaritonen, die worden gevormd door de sterke koppeling van excitonen en fotonen die gevangen zitten in een optische holte.
Dit is echter niet genoeg, omdat er als het ware een materiële basis nodig is. En wie kan deze rol beter spelen dan transitiemetaal dihalcogenide (TMD)? Om precies te zijn, werd een WS2-monolaag (wolfraamdisulfide) gebruikt als emitterend materiaal, dat indrukwekkende excitonbindingsenergieën heeft, wat een van de belangrijkste criteria werd bij het kiezen van de materiaalbasis.
De combinatie van alle hierboven beschreven elementen maakte het mogelijk om een elektrisch gestuurde polariton-LED te creëren die bij kamertemperatuur werkt.
Om dit apparaat te realiseren, wordt een monolaag van WS2 ingeklemd tussen dunne hexagonale boornitride (hBN) tunnelbarrières met grafeenlagen die als elektroden fungeren.
Onderzoeksresultaten
WS2 is, als overgangsmetaaldichalcogenide, ook een atomair dun Van der Waals (vdW) materiaal. Dit spreekt tot zijn unieke elektrische, optische, mechanische en thermische eigenschappen.
In combinatie met andere vdW-materialen, zoals grafeen (als geleider) en hexagonaal boornitride (hBN, als isolator), kan een hele reeks elektrisch aangestuurde halfgeleiderapparaten, waaronder LED's, worden gerealiseerd. Soortgelijke combinaties van van der Waals-materialen en polaritonen zijn al eerder gerealiseerd, zoals de onderzoekers openlijk stellen. In eerdere werken waren de resulterende systemen echter complex en onvolmaakt, en onthulden ze niet het volledige potentieel van elk onderdeel.
Eén van de ideeën die werd geïnspireerd door voorgangers was het gebruik van een tweedimensionaal materiaalplatform. In dit geval is het mogelijk apparaten te realiseren met atomair dunne emissielagen, die kunnen worden geïntegreerd met andere vdW-materialen die fungeren als contacten (grafeen) en tunnelbarrières (hBN). Bovendien maakt een dergelijke tweedimensionaliteit het mogelijk om polariton-LED's te combineren met vdW-materialen die ongebruikelijke magnetische eigenschappen, sterke supergeleiding en/of niet-standaard topologische overdrachten hebben. Als resultaat van een dergelijke combinatie kan een geheel nieuw type apparaat worden verkregen, waarvan de eigenschappen vrij ongebruikelijk kunnen zijn. Maar, zoals wetenschappers zeggen, dit is een onderwerp voor een ander onderzoek.
Afbeelding #1
Op de afbeelding 1a toont een driedimensionaal model van een apparaat dat lijkt op een laagcake. De bovenste spiegel van de optische resonator is een zilverlaag en de onderste spiegel is verdeeld in 12 lagen Bragg-reflector*. Het actieve gebied bevat een tunnelzone.
Gedistribueerde Bragg-reflector* - een structuur van meerdere lagen waarbij de brekingsindex van het materiaal periodiek loodrecht op de lagen verandert.
De tunnelzone bestaat uit een vdW-heterostructuur bestaande uit een WS2-monolaag (lichtzender), dunne lagen hBN aan weerszijden van de monolaag (tunnelbarrière) en grafeen (transparante elektroden voor het introduceren van elektronen en gaten).
Er werden nog twee lagen WS2 toegevoegd om de algehele sterkte van de oscillator te vergroten en zo een meer uitgesproken Rabi-splitsing van de polaritontoestanden te produceren.
De werkingsmodus van de resonator wordt aangepast door de dikte van de PMMA-laag (polymethylmethacrylaat, d.w.z. plexiglas) te veranderen.
image 1b Dit is een momentopname van een vdW-heterostructuur op het oppervlak van een gedistribueerde Bragg-reflector. Vanwege de hoge reflectiviteit van de gedistribueerde Bragg-reflector, de onderste laag, heeft de tunnelzone in het beeld een zeer laag reflectiecontrast, waardoor alleen de bovenste dikke hBN-laag wordt waargenomen.
Plan 1s vertegenwoordigt het vdW-zonediagram van de heterostructuur in de tunnelgeometrie onder verplaatsing. Elektroluminescentie (EL) wordt waargenomen boven de drempelspanning wanneer het Fermi-niveau van het bovenste (onderste) grafeen boven (onder) de geleidingsband (valentie) van WS2 wordt verschoven, waardoor een elektron (gat) in de geleiding (valentie) kan tunnelen. band van WS2. Dit creëert gunstige omstandigheden voor de vorming van excitonen in de WS2-laag met daaropvolgende stralings(stralings) elektron-gat-recombinatie.
In tegenstelling tot pn-junctie-lichtzenders, die doping nodig hebben om te kunnen werken, is EL van tunnelapparaten uitsluitend afhankelijk van de tunnelstroom, waardoor optische verliezen en eventuele veranderingen in de weerstand als gevolg van temperatuurveranderingen worden vermeden. Tegelijkertijd maakt de tunnelarchitectuur een veel groter emissiegebied mogelijk in vergelijking met dichalcogenide-apparaten op basis van pn-overgangen.
image 1d demonstreert de elektrische kenmerken van de tunnelstroomdichtheid (J) als functie van de voorspanning (V) tussen grafeenelektroden. Een scherpe toename van de stroom voor zowel positieve als negatieve spanningen duidt op het optreden van tunnelstroom door de structuur. Bij de optimale dikte van hBN-lagen (~2 nm) worden een significante tunnelstroom en een toename van de levensduur van ingebedde dragers voor stralingsrecombinatie waargenomen.
Voordat het elektroluminescentie-experiment werd uitgevoerd, werd het apparaat gekarakteriseerd door hoek-opgeloste reflectie van wit licht om de aanwezigheid van sterke excitonische koppeling te bevestigen.
Afbeelding #2
Op de afbeelding 2a Hoek-opgeloste reflectiespectra van het actieve gebied van het apparaat worden getoond, wat anti-kruisingsgedrag aantoont. Fotoluminescentie (PL) werd ook waargenomen onder niet-resonante excitatie (460 nm), waarbij intense emissie van de onderste polaritontak en zwakkere emissie van de bovenste polaritontak werd waargenomen (2b).
Op 2s toont de dispersie van polariton-elektroluminescentie bij een injectiesnelheid van 0.1 μA/μm2. De Rabi-splitsing en holte-ontstemming verkregen door het aanpassen van de oscillatormodi (ononderbroken en gestreepte witte lijn) aan het EL-experiment zijn respectievelijk ~33 meV en ~-13 meV. De ontstemming van de holte wordt gedefinieerd als δ = Ec − Ex, waarbij Ex de excitonenergie is en Ec de fotonenergie van de holte met nul momentum in het vlak aanduidt. Schema 2d Dit is een snede onder verschillende hoeken ten opzichte van de elektroluminescerende dispersie. Hier is de spreiding van de bovenste en onderste polaritonmodi waarbij anticrossing optreedt in de excitonresonantiezone duidelijk zichtbaar.
Afbeelding #3
Naarmate de tunnelstroom toeneemt, neemt de algehele EL-intensiteit toe. Zwakke EL van polaritonen wordt waargenomen nabij de drempelverschuiving (3a), terwijl bij een voldoende grote verplaatsing boven de drempel de polariton-emissie duidelijk wordt (3b).
Op de afbeelding 3s toont een polair diagram van de EL-intensiteit als functie van de hoek, waarbij een smalle emissiekegel van ±15° wordt afgebeeld. Het stralingspatroon blijft vrijwel onveranderd voor zowel de minimale (groene curve) als de maximale (oranje curve) bekrachtigingsstroom. Op 3d toont de geïntegreerde intensiteit voor verschillende bewegende tunnelstromen, die, zoals uit de grafiek blijkt, vrij lineair is. Daarom kan het verhogen van de stroom naar hoge waarden leiden tot een succesvolle verstrooiing van polaritonen langs de onderste tak en een extreem smal emissiepatroon creëren als gevolg van het genereren van polariton. In dit experiment was het echter niet mogelijk om dit te bereiken vanwege de beperking die gepaard gaat met de diëlektrische doorslag van de hBN-tunnelbarrière.
Rode stippen erop 3d toon metingen van een andere indicator - extern kwantumefficiëntie*.
Kwantumefficiëntie* — de verhouding tussen het aantal fotonen, waarvan de absorptie de vorming van quasideeltjes veroorzaakte, en het totale aantal geabsorbeerde fotonen.
De waargenomen kwantumefficiëntie is vergelijkbaar met die bij andere polariton-LED's (op basis van organische materialen, koolstofbuizen, enz.). Het is vermeldenswaard dat in het onderzochte apparaat de dikte van de lichtgevende laag slechts 0.7 nm is, terwijl deze waarde in andere apparaten veel hoger is. Wetenschappers verbergen niet dat de kwantumefficiëntie van hun apparaat niet de hoogste is, maar deze kan worden verhoogd door een groter aantal monolagen in de tunnelzone te plaatsen, gescheiden door dunne lagen hBN.
De onderzoekers testten ook het effect van resonatorontstemming op polariton EL door een ander apparaat te maken, maar met een sterkere ontstemming (-43 meV).
Afbeelding #4
Op de afbeelding 4a EL-spectra met hoekresolutie van een dergelijk apparaat worden weergegeven bij een stroomdichtheid van 0.2 μA/μm2. Door de sterke ontstemming vertoont het apparaat een uitgesproken knelpunteffect in de EL waarbij het emissiemaximum onder een grote hoek optreedt. Dit wordt nog eens bevestigd in de afbeelding 4b, waar de polaire grafieken van dit apparaat worden vergeleken met de eerste (2s).
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken .
epiloog
Alle hierboven beschreven waarnemingen en metingen bevestigen dus de aanwezigheid van polariton-elektroluminescentie in een vdW-heterostructuur ingebouwd in een optische microholte. De tunnelarchitectuur van het onderzochte apparaat zorgt voor de introductie van elektronen/gaten en recombinatie in de WS2-monolaag, die dient als lichtzender. Het is belangrijk dat het tunnelmechanisme van het apparaat geen legering van componenten vereist, waardoor verliezen en verschillende temperatuurgerelateerde veranderingen tot een minimum worden beperkt.
Er werd gevonden dat EL een hoge gerichtheid heeft vanwege de spreiding van de resonator. Daarom zal het verbeteren van de holtekwaliteitsfactor en een hogere stroomafgifte de efficiëntie van microcaviteits-LED's verbeteren, evenals elektrisch gestuurde microcaviteitspolaritonen en fotonische lasers.
Dit werk bevestigde opnieuw dat overgangsmetaaldichalcogeniden werkelijk unieke eigenschappen en een zeer breed scala aan toepassingen hebben.
Dergelijk onderzoek en innovatieve uitvindingen kunnen een grote invloed hebben op de ontwikkeling en verspreiding van datatransmissietechnologieën die gebruik maken van LED's en licht zelf. Dergelijke futuristische technologieën omvatten Li-Fi, dat aanzienlijk hogere snelheden kan bieden dan de momenteel beschikbare Wi-Fi.
Bedankt voor je aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne week allemaal! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com