Od wielu lat naukowcy z całego świata zajmują się dwoma rzeczami — wynajdywaniem i doskonaleniem. A czasami trudno powiedzieć, która z tych rzeczy jest trudniejsza. Weźmy na przykład zwykłe diody LED, które wydają się nam tak proste i powszechne, że nie zwracamy na nie uwagi. Ale jeśli dodamy do nich trochę ekscytonów, szczyptę polarytonów i disiarczku wolframu dla smaku, diody LED przestaną być takie prozaiczne. Wszystkie te skomplikowane terminy to nazwy niezwykłych komponentów, których połączenie pozwoliło naukowcom z City College w Nowym Jorku stworzyć nowy system zdolny do bardzo szybkiego przesyłania informacji za pomocą światła. Ten rozwój pomoże udoskonalić technologię Li-Fi. Jakie składniki nowej technologii zostały użyte, jaki jest przepis na to „daniew” i jak efektywny jest nowy ekscytonowo-polarytonowy diod LED? O tym opowiedzą nam naukowcy. Zaczynamy.
Podstawa badania
Jeśli uprościć to do jednego słowa, to ta technologia to światło i wszystko, co się z nim wiąże. Po pierwsze, polarytony, które powstają w wyniku interakcji fotonów z wzbudzeniami medium (fononami, ekscytonami, plazmonami, magnonami itp.). Po drugie, ekscytony — wzbudzenie elektronowe w dielektryku, półprzewodniku lub metalu, migrujące przez kryształ i niezwiązane z przenoszeniem ładunku elektrycznego i masy.
Warto zauważyć, że te kwazicząstki uwielbiają zimno, tzn. można obserwować ich aktywność tylko w bardzo niskich temperaturach, co znacznie ogranicza ich praktyczne zastosowanie. Ale to było kiedyś. W tej pracy naukowcy zdołali pokonać ograniczenie temperatury i wykorzystać je w temperaturach pokojowych.
Główną cechą polarytonów jest możliwość wiązania fotonów między sobą. Fotonów, które zderzają się z atomami rubidu, nadaje masę. W wyniku wielokrotnych zderzeń fotony odbijają się od siebie nawzajem, ale w rzadkich przypadkach tworzą pary i triplet, tracąc przy tym składnik atomowy reprezentowany przez atom rubidu.
Jednak aby coś zrobić ze światłem, trzeba je schwytać. W tym celu potrzebny jest rezonator optyczny, który stanowi zbiór elementów odbijających, tworzących stojącą falę świetlną.
W tym badaniu kluczową rolę odgrywają jeszcze bardziej niezwykłe kwazicząstki — ekscyton-polaritony, które powstają dzięki silnemu powiązaniu ekscytonów i fotonów zatrzymanych w rezonatorze optycznym.
Jednak to za mało, ponieważ potrzebna jest materialna podstawa, że tak powiem. A kto, jak nie dichalkogenek metali przejściowych (DPM), lepiej odegra tę rolę. Dokładniej mówiąc, jako materiał emitujący użyto monowarstwy WS2 (disulfidu wolframu), która posiada imponujące energie wiązania ekscytonów, co stało się jednym z kluczowych kryteriów wyboru podstawy materiałowej.
Zbiór wszystkich opisanych wcześniej elementów pozwolił stworzyć elektrycznie sterowaną diodę polarytonową, działającą w temperaturze pokojowej.
Aby zrealizować to urządzenie, monowarstwa WS2 znajduje się między cienkimi heksagonalnymi barierami tunelowymi z azotku boru (hBN) ze warstwami grafenu, które pełnią rolę elektrod.
Wyniki badania
WS2, jako dichalkogenek metali przejściowych, jest również atomowo cienkim materiałem Van der Waalsa (vdW). To mówi o jego unikalnych właściwościach elektrycznych, optycznych, mechanicznych i termicznych.
W połączeniu z innymi materiałami vdW, takimi jak grafen (jako przewodnik) i heksagonalny azotek boru (hBN, jako izolator), można zrealizować wiele elektrycznie sterowanych urządzeń półprzewodnikowych, w tym diody. Takie kombinacje materiałów Van der Waalsa i polarytonów były już wcześniej realizowane, jak jednoznacznie stwierdzają badacze. Jednak w wcześniejszych pracach uzyskane systemy były skomplikowane i niedoskonałe, a także nie ujawniały całego potencjału każdej z komponentów.
Jednym z pomysłów, którymi inspirowali się poprzednicy, jest zastosowanie dwuwymiarowej platformy materiałowej. W takim przypadku można zrealizować urządzenia z atomowo cienkimi warstwami emisji, które mogą być zintegrowane z innymi materiałami vdW, pełniącymi rolę styków (grafen) i barier tunelowych (hBN). Ponadto taka dwuwymiarowość pozwala połączyć polarytonowe diody LED z materiałami vdW, które posiadają niezwykłe właściwości magnetyczne, silną nadprzewodnictwo i/lub nietypowe topologiczne przeniesienia. W rezultacie takiego połączenia można uzyskać zupełnie nowy typ urządzenia, którego właściwości mogą być bardzo nietypowe. Ale jak mówią naukowcy, to temat na inne badania.
Obrazek nr 1
Na obrazku 1a pokazana trójwymiarowa model urządzenia, które przypomina warstwowy placek. Jako górne lustro rezonatora optycznego występuje warstwa srebra, a jako dolne — 12-warstwowy rozproszony odblask braggowski*. W obszarze aktywnym znajduje się strefa tunelowa.
Rozproszony odblask braggowski* — struktura składająca się z kilku warstw, w której wskaźnik załamania materiału okresowo zmienia się prostopadle do warstw.
Strefa tunelowa składa się z heterostruktury vdW składającej się z monowarstwy WS2 (źródło światła), cienkich warstw hBN po obu stronach monowarstwy (bariera tunelowa) oraz grafenu (przezroczyste elektrody do wprowadzania elektronów i dziur).
Dodano dodatkowe dwie warstwy WS2 w celu zwiększenia ogólnej siły generatora i w konsekwencji bardziej wyraźnego rozszczepienia stanów polarytonów Rabi.
Tryb pracy rezonatora jest regulowany poprzez zmianę grubości warstwy PMMA (polimetakrylan metylu, tzn. pleksi).
Obraz 1b to zdjęcie heterostruktury vdW na powierzchni rozproszonego odblasku braggowskiego. Z powodu wysokiej zdolności odbicia rozproszonego odblasku braggowskiego, będącego dolną warstwą, strefa tunelowa na zdjęciu ma bardzo niski kontrast odbicia, przez co widać tylko górną grubą warstwę hBN.
Wykres 1c przedstawia strefową diagram vdW heterostruktury w geometrii tunelu przy przesunięciu. Elektroluminescencja (EL) występuje powyżej progu napięcia, kiedy poziom Fermiego górnego (dolnego) grafenu jest przesunięty powyżej (poniżej) pasma przewodzenia (wartości) WS2, co pozwala elektronowi (dziurze) na tunelowanie do pasma przewodzenia (wartości) WS2. Tworzy to sprzyjające warunki do generowania ekscytonów w warstwie WS2 z późniejszą radiacyjną (emisyjną) rekombinacją elektron-dziura.
W przeciwieństwie do źródeł światła opartych na przejściu p-n, które wymagają domieszkowania do działania, EL z urządzeń tunelowych zależy wyłącznie od prądu tunelowego, co pozwala uniknąć strat optycznych i wszelkich zmian oporu właściwego spowodowanych zmianą temperatury. Z drugiej strony architektura tunelowa pozwala na znacznie większy obszar emisji w porównaniu do urządzeń opartych na przejściu p-n z dikhalkogenidami.
Obraz 1d demonstruje charakterystyki elektryczne gęstości prądu tunelowego (J) jako funkcje napięcia przesunięcia (V) między elektrodami grafenowymi. Ostry wzrost prądu zarówno dla dodatniego, jak i ujemnego napięcia wskazuje na powstanie prądu tunelowego przez strukturę. Przy optymalnej grubości warstw hBN (~2 nm) obserwuje się znaczący prąd tunelowy oraz zwiększenie czasu życia wbudowanych nośników dla rekombinacji emisyjnej.
Przed przeprowadzeniem eksperymentu elektroluminescencyjnego przeprowadzono charakteryzację urządzenia pod względem odbiciowej zdolności białego światła z rozdzielczością kątową, aby potwierdzić istnienie silnej korelacji ekscytonów.
Obraz Nr 2
Na obrazku 2a pokazane są spektra odbicia z rozdzielczością kątową z aktywnego obszaru urządzenia, demonstrujące zachowanie, które uniemożliwia przecięcie. Obserwowano również fotoluminescencję (FL) przy nie rezonansowym wzbudzeniu (460 nm), demonstrującą intensywne promieniowanie z dolnej gałęzi polarytona oraz słabsze promieniowanie z górnej gałęzi polarytona (2b).
Na 2c Pokazano dyspersję elektroluminescencji polarytonów przy wprowadzeniu 0,1 µA/mk². Rozszczepienie Rabiego i rozstrojenie rezonatora, uzyskane poprzez dopasowanie trybów oscylatora (ciągła i przerywana biała linia) do eksperymentu elektroluminescencyjnego, wynoszą około 33 meV i około -13 meV odpowiednio. Rozstrojenie rezonatora definiuje się jako δ = Ec − Ex, gdzie Ex to energia ekscytonu, a Ec oznacza energię fotona rezonatora z zerowym pędem w płaszczyźnie. Wykres 2d to przekrój pod różnymi kątami od dyspersji elektroluminescencji. Tutaj dobrze widać dyspersję górnych i dolnych trybów polarytonowych z przecięciem antypodalnym, które występuje w obszarze rezonansu ekscytonów.
Obraz nr 3
W miarę zwiększania prądu tunelowego całkowita intensywność EL wzrasta. Słaba EL od polarytonów obserwowana jest w pobliżu progu przesunięcia (3a), podczas gdy przy wystarczająco dużym przesunięciu powyżej progu emisja polarytonów staje się wyraźna (3b).
Na obrazku 3s pokazano polarny wykres intensywności EL w funkcji kąta, ilustrujący wąski stożek emisji ± 15°. Diagram emisji pozostaje praktycznie niezmienny zarówno dla minimalnego (zielona krzywa), jak i maksymalnego (pomarańczowa krzywa) prądu wzbudzenia. Na 3d pokazano zintegrowaną intensywność przy różnych poruszających się prądach tunelowych, która, jak widać na wykresie, jest wystarczająco liniowa. W związku z tym zwiększenie prądu do wysokich wartości może prowadzić do skutecznego rozprysku polarytonów wzdłuż dolnej gałęzi i stworzyć niezwykle wąski diagram emisji z powodu generacji polarytonów. Jednak w tym eksperymencie osiągnięcie tego nie było możliwe z powodu ograniczenia związanego z dielektrycznym przebiciem bariery tunelowej hBN.
Czerwone punkty na 3d pokazują pomiary jeszcze jednego wskaźnika — zewnętrznej kwantowej efektywności*.
Kwantowa efektywność* — stosunek liczby fotonów, których absorpcja spowodowała wytworzenie kwazicząsteczek, do całkowitej liczby pochłoniętych fotonów.
Obserwowana efektywność kwantowa jest porównywalna z tymi w innych polarytonowych diodach emitujących światło (opartych na materiałach organicznych, rurkach węglowych itd.). Należy jednak zaznaczyć, że w badanym urządzeniu grubość warstwy emitującej światło wynosi zaledwie 0,7 nm, podczas gdy w innych urządzeniach wartość ta jest znacznie wyższa. Naukowcy nie ukrywają, że wskaźnik efektywności kwantowej ich urządzenia nie jest najwyższy, ale można go zwiększyć poprzez umieszczenie większej liczby monowarstw w strefie tunelowej, oddzielonych cienkimi warstwami hBN.
Badacze sprawdzili także wpływ zakłócenia rezonatora na EL polarytona, wytwarzając kolejne urządzenie, ale z silniejszym zakłóceniem (-43 meV).
Obrazek nr 4
Na obrazku 4a ciągnięte są spektrogramy EL z kątowym rozdzieleniem tego urządzenia przy gęstości prądu 0,2 μA / μm2. Z powodu silnego zakłócenia urządzenie wykazuje wyraźnie zarysowany efekt szyjki butelki w EL z maksymalną emisją, występującą pod dużym kątem. To dodatkowo potwierdza zamieszczone zdjęcie 4b, gdzie porównywane są polarne wykresy tego urządzenia z pierwszym (2c).
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do .
Epilog
W ten sposób wszystkie powyżej opisane obserwacje i pomiary potwierdzają obecność polarytonowej elektroluminescencji w heterostrukturze vdW, wbudowanej w optyczny mikroryzator. Architektura tunelowa badanego urządzenia zapewnia implementację elektronów/dziur oraz rekombinację w monowarstwie WS2, która służy jako emitent światła. Ważne jest, że mechanizm tunelowy urządzenia nie wymaga domieszkowania komponentów, co minimalizuje straty i różne zmiany związane z temperaturą.
Stwierdzono, że EL ma wysoką kierunkowość dzięki dyspersji rezonatora. W związku z tym poprawa dobroci rezonatora oraz większy dopływ prądu pozwolą zwiększyć efektywność diod emitujących światło w mikroryzatorach, jak również elektrycznie sterowanych polarytonów mikroryzatorowych i laserów fotonowych.
Niniejsza praca ponownie potwierdziła, że dichalkogenki metali przejściowych wykazują naprawdę unikalne właściwości i mają szeroką gamę zastosowań.
Podobne badania i innowacyjne wynalazki mogą znacząco wpłynąć na rozwój i rozpowszechnienie technologii przesyłu danych za pomocą diod LED i światła jako takiego. Do takich futurystycznych technologii należy Li-Fi, który może zapewnić znacznie większą prędkość niż obecnie stosowane Wi-Fi.
Dziękuję za uwagę, pozostawajcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia roboczego, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że z nami jesteś. Czy podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz widzieć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
