I mange år har forskere fra hele verden gjort to ting – oppfinne og forbedre. Og noen ganger er det ikke klart hva som er vanskeligst. Ta for eksempel vanlige lysdioder, som virker så enkle og vanlige for oss at vi ikke engang legger merke til dem. Men hvis du legger til noen få eksitoner, en klype polaritoner og wolframdisulfid etter smak, vil ikke lysdioder lenger være så prosaiske. Alle disse grove begrepene er navnene på ekstremt uvanlige komponenter, hvis kombinasjon tillot forskere fra City College i New York å lage et nytt system som er i stand til å overføre informasjon ekstremt raskt ved hjelp av lys. Denne utviklingen vil bidra til å forbedre Li-Fi-teknologien. Hvilke eksakte ingredienser i den nye teknologien ble brukt, hva er oppskriften på denne "retten" og hva er driftseffektiviteten til den nye exciton-polariton LED? Rapporten fra forskere vil fortelle oss om dette. Gå.
Grunnlaget for studien
Hvis vi forenkler alt ned til ett ord, så er denne teknologien lett og alt som er forbundet med den. For det første polaritoner, som oppstår når fotoner samhandler med eksitasjoner av mediet (fononer, eksitoner, plasmoner, magnoner, etc.). For det andre er eksitoner elektroniske eksitasjoner i et dielektrikum, halvleder eller metall som migrerer gjennom krystallen og er ikke assosiert med overføring av elektrisk ladning og masse.
Det er viktig å merke seg at disse kvasipartikler elsker kulde veldig mye, dvs. Deres aktivitet kan bare observeres ved ekstremt lave temperaturer, noe som i stor grad begrenser deres praktiske anvendelse. Men det var før. I dette arbeidet klarte forskerne å overvinne temperaturbegrensningen og bruke dem ved romtemperatur.
Hovedtrekket til polaritoner er evnen til å binde fotoner med hverandre. Fotoner som kolliderer med rubidiumatomer får masse. I prosessen med gjentatte kollisjoner spretter fotonene av hverandre, men i sjeldne tilfeller danner de par og trillinger, mens de mister atomkomponenten representert av rubidiumatomet.
Men for å gjøre noe med lys, må du fange det. For dette trengs en optisk resonator, som er et sett med reflekterende elementer som danner en stående lysbølge.
I denne studien spilles den viktigste rollen av enda mer uvanlige kvasipartikler - eksiton-polaritoner, som dannes på grunn av den sterke koblingen av eksitoner og fotoner fanget i et optisk hulrom.
Dette er imidlertid ikke nok, for det trengs et materiell grunnlag for å si det sånn. Og hvem er bedre enn overgangsmetalldikalkogenid (TMD) som vil spille denne rollen? Mer presist ble et WS2 (wolframdisulfid) monolag brukt som emitterende materiale, som har imponerende eksitonbindingsenergier, som ble et av hovedkriteriene for valg av materialbase.
Kombinasjonen av alle elementene beskrevet ovenfor gjorde det mulig å lage en elektrisk styrt polariton LED som opererer ved romtemperatur.
For å realisere denne enheten er et monolag av WS2 klemt mellom tynne sekskantede bornitrid (hBN) tunnelbarrierer med grafenlag som fungerer som elektroder.
Forskningsresultater
WS2, som er et overgangsmetalldikalkogenid, er også et atomtynt van der Waals (vdW) materiale. Dette taler til dens unike elektriske, optiske, mekaniske og termiske egenskaper.
I kombinasjon med andre vdW-materialer, som grafen (som en leder) og sekskantet bornitrid (hBN, som en isolator), kan en hel rekke elektrisk kontrollerte halvlederenheter, som inkluderer LED-er, realiseres. Lignende kombinasjoner av van der Waals-materialer og polaritoner har allerede blitt realisert før, som forskerne uttaler åpent. I tidligere arbeider var imidlertid de resulterende systemene komplekse og ufullkomne, og avslørte ikke det fulle potensialet til hver komponent.
En av ideene som ble inspirert av forgjengerne var bruken av en todimensjonal materialplattform. I dette tilfellet er det mulig å realisere enheter med atomtynne emissive lag, som kan integreres med andre vdW-materialer som fungerer som kontakter (grafen) og tunnelbarrierer (hBN). I tillegg gjør slik todimensjonalitet det mulig å kombinere polariton-LED med vdW-materialer som har uvanlige magnetiske egenskaper, sterk superledning og/eller ikke-standard topologiske overføringer. Som et resultat av en slik kombinasjon kan en helt ny type enhet oppnås, hvis egenskaper kan være ganske uvanlige. Men, som forskerne sier, er dette et tema for en annen studie.
Bilde #1
På bildet 1a viser en tredimensjonal modell av en enhet som ligner en lagkake. Det øvre speilet til den optiske resonatoren er et lag av sølv, og det nedre speilet er et 12-lags fordelt Bragg reflektor*. Den aktive regionen inneholder en tunnelsone.
Distribuert Bragg-reflektor* - en struktur av flere lag der brytningsindeksen til materialet periodisk endres vinkelrett på lagene.
Tunnelsonen består av en vdW heterostruktur bestående av et WS2 monolag (lysemitter), tynne lag av hBN på begge sider av monolaget (tunnelbarriere) og grafen (transparente elektroder for innføring av elektroner og hull).
Ytterligere to lag med WS2 ble lagt til for å øke den totale styrken til oscillatoren og dermed produsere mer uttalt Rabi-splitting av polaritontilstandene.
Driftsmodusen til resonatoren justeres ved å endre tykkelsen på PMMA-laget (polymetylmetakrylat, dvs. plexiglass).
bilde 1b Dette er et øyeblikksbilde av en vdW-heterostruktur på overflaten av en distribuert Bragg-reflektor. På grunn av den høye reflektiviteten til den distribuerte Bragg-reflektoren, som er det nederste laget, har tunnelsonen i bildet en svært lav reflektanskontrast, noe som resulterer i at kun det øverste tykke hBN-laget blir observert.
Planlegg 1s representerer vdW sonediagram av heterostrukturen i tunnelgeometrien under forskyvning. Elektroluminescens (EL) observeres over terskelspenningen når Fermi-nivået til topp (nederst) grafen forskyves over (under) lednings(valens)båndet til WS2, slik at et elektron (hull) kan tunnelere inn i ledningen (valens) bånd av WS2. Dette skaper gunstige forhold for dannelse av eksitoner i WS2-laget med påfølgende radiativ (strålende) elektron-hull-rekombinasjon.
I motsetning til pn-junction-lysemittere, som krever doping for å fungere, avhenger EL fra tunnelenheter utelukkende av tunnelstrømmen, og unngår optiske tap og eventuelle endringer i resistivitet forårsaket av temperaturendringer. Samtidig tillater tunnelarkitekturen et mye større utslippsområde sammenlignet med dikalkogenidenheter basert på pn-kryss.
bilde 1d demonstrerer de elektriske egenskapene til tunnelstrømtettheten (J) som en funksjon av forspenning (V) mellom grafenelektroder. En kraftig økning i strøm for både positive og negative spenninger indikerer forekomsten av tunnelstrøm gjennom strukturen. Ved den optimale tykkelsen av hBN-lagene (~2 nm) observeres en betydelig tunnelstrøm og en økning i levetiden til innebygde bærere for strålingsrekombinasjon.
Før elektroluminescenseksperimentet ble utført, ble enheten preget av vinkeloppløst hvit lysreflektans for å bekrefte tilstedeværelsen av sterk eksitonisk kobling.
Bilde #2
På bildet 2a Vinkeloppløste reflektansspektre fra den aktive regionen av enheten vises, og demonstrerer anti-kryssende oppførsel. Fotoluminescens (PL) ble også observert under ikke-resonant eksitasjon (460 nm), og viste intens emisjon fra den nedre polaritongrenen og svakere emisjon fra den øvre polaritongrenen (2b).
På 2s viser spredningen av polaritonelektroluminescens ved en injeksjonshastighet på 0.1 μA/μm2. Rabi-splittingen og hulromsavstemmingen oppnådd ved å tilpasse oscillatormodusene (heltrukken og stiplet hvit linje) til EL-eksperimentet er henholdsvis ～33 meV og ～-13 meV. Kavitetsavstemmingen er definert som δ = Ec − Ex, hvor Ex er eksitonenergien og Ec angir nullmomentum hulromfotonenergien i planet. Rute 2d Dette er et kutt i forskjellige vinkler fra den elektroluminescerende dispersjonen. Her er spredningen av de øvre og nedre polaritonmodusene med antikryssing som forekommer i eksitonresonanssonen tydelig synlig.
Bilde #3
Når tunnelstrømmen øker, øker den totale EL-intensiteten. Svak EL fra polaritoner er observert nær terskelskiftet (3a), mens ved en tilstrekkelig stor forskyvning over terskelen, blir polaritonutslipp distinkt (3b).
På bildet 3s viser et polart plott av EL-intensiteten som funksjon av vinkelen, og viser en smal emisjonskjegle på ±15°. Strålingsmønsteret forblir praktisk talt uendret for både minimum (grønn kurve) og maksimum (oransje kurve) eksitasjonsstrøm. På 3d viser den integrerte intensiteten for ulike bevegelige tunnelstrømmer, som, som man kan se av grafen, er ganske lineær. Derfor kan økning av strømmen til høye verdier føre til vellykket spredning av polaritoner langs den nedre grenen og skape et ekstremt smalt utslippsmønster på grunn av polaritongenerering. I dette eksperimentet var det imidlertid ikke mulig å oppnå dette på grunn av begrensningen knyttet til det dielektriske sammenbruddet av hBN-tunnelbarrieren.
Røde prikker på 3d vis målinger av en annen indikator - ekstern kvanteeffektivitet*.
Kvanteeffektivitet* — forholdet mellom antall fotoner, hvis absorpsjon forårsaket dannelsen av kvasipartikler, og det totale antallet absorberte fotoner.
Den observerte kvanteeffektiviteten er sammenlignbar med den i andre polariton-lysdioder (basert på organiske materialer, karbonrør, etc.). Det er verdt å merke seg at i enheten som studeres er tykkelsen på det lysemitterende laget bare 0.7 nm, mens i andre enheter er denne verdien mye høyere. Forskere legger ikke skjul på at kvanteeffektiviteten til enheten deres ikke er den høyeste, men den kan økes ved å plassere et større antall monolag inne i tunnelsonen, atskilt med tynne lag med hBN.
Forskerne testet også effekten av resonatoravstemming på polariton EL ved å lage en annen enhet, men med en sterkere avstemming (-43 meV).
Bilde #4
På bildet 4a EL-spektra med vinkeloppløsning for en slik enhet er vist ved en strømtetthet på 0.2 μA/μm2. På grunn av den sterke avstemmingen, viser enheten en uttalt flaskehalseffekt i EL med utslippsmaksimum som forekommer i en stor vinkel. Dette bekreftes ytterligere i bildet 4b, hvor de polare grafene til denne enheten sammenlignes med den første (2s).
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på .
Epilog
Dermed bekrefter alle observasjonene og målingene beskrevet ovenfor tilstedeværelsen av polaritonelektroluminescens i en vdW-heterostruktur innebygd i et optisk mikrohulrom. Tunnelarkitekturen til enheten som studeres sikrer introduksjon av elektroner/hull og rekombinasjon i WS2-monolaget, som fungerer som en lysemitter. Det er viktig at tunnelmekanismen til enheten ikke krever legering av komponenter, noe som minimerer tap og ulike temperaturrelaterte endringer.
Det ble funnet at EL har høy direktivitet på grunn av spredningen av resonatoren. Derfor vil forbedring av hulromskvalitetsfaktoren og høyere strømlevering forbedre effektiviteten til mikrohulroms-LED-er, så vel som elektrisk kontrollerte mikrohulrompolaritoner og fotoniske lasere.
Dette arbeidet bekreftet nok en gang at overgangsmetalldikalkogenider har virkelig unike egenskaper og et veldig bredt spekter av bruksområder.
Slik forskning og innovative oppfinnelser kan i stor grad påvirke utviklingen og spredningen av dataoverføringsteknologier ved bruk av LED og selve lyset. Slike futuristiske teknologier inkluderer Li-Fi, som kan gi betydelig høyere hastigheter enn tilgjengelig Wi-Fi.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com