Od wielu lat naukowcy z całego świata robią dwie rzeczy – wymyślają i ulepszają. I czasami nie jest jasne, które z nich jest trudniejsze. Weźmy na przykład zwykłe diody LED, które wydają nam się tak proste i zwyczajne, że nie zwracamy na nie uwagi. Jeśli jednak dodamy do smaku ekscytony, szczyptę polarytonów i dwusiarczek wolframu, diody nie będą już tak prozaiczne. Wszystkie te zawiłe terminy to nazwy niezwykle nietypowych komponentów, których połączenie pozwoliło naukowcom z City College of New York stworzyć nowy system, który może niezwykle szybko przesyłać informacje za pomocą światła. Ten rozwój pomoże ulepszyć technologię Li-Fi. Jakie dokładnie składniki zastosowano w nowej technologii, jaki jest przepis na to „danie” i jaka jest wydajność nowej ekscytonowo-polarytonowej diody LED? O tym powie nam raport naukowców. Iść.
Baza badawcza
Jeśli wszystko uprościć do jednego słowa, to ta technologia jest lekka i wszystko z nią związane. Po pierwsze, polarytony, które powstają, gdy fotony oddziałują ze wzbudzeniami ośrodków (fonony, ekscytony, plazmony, magnony itp.). Po drugie, ekscytony to wzbudzenia elektroniczne w dielektryku, półprzewodniku lub metalu, migrujące przez kryształ i niezwiązane z przenoszeniem ładunku elektrycznego i masy.
Należy zauważyć, że te kwazicząstki bardzo lubią zimno; ich aktywność można zaobserwować tylko w skrajnie niskich temperaturach, co poważnie ogranicza ich praktyczne zastosowanie. Ale to było wcześniej. W tej pracy naukowcom udało się przezwyciężyć ograniczenia temperaturowe i używać ich w temperaturze pokojowej.
Główną cechą polarytonów jest zdolność wiązania ze sobą fotonów. Fotony zderzające się z atomami rubidu nabierają masy. W procesie wielokrotnych zderzeń fotony odbijają się od siebie, ale w rzadkich przypadkach tworzą pary i trojaczki, tracąc przy tym składnik atomowy reprezentowany przez atom rubidu.
Ale żeby coś zrobić ze światłem, trzeba je złapać. Do tego potrzebny jest rezonator optyczny, który jest połączeniem elementów odbijających, które tworzą stojącą falę świetlną.
W tym badaniu kluczową rolę odgrywają jeszcze bardziej niezwykłe kwazicząstki, polarytony ekscytonowe, które powstają w wyniku silnego sprzężenia ekscytonów i fotonów uwięzionych we wnęce optycznej.
Jednak to nie wystarczy, ponieważ podstawa materialna jest, że tak powiem, konieczna. I kto, jak nie dichalkogenek metalu przejściowego (TDM), spełni tę rolę lepiej niż inni. Mówiąc dokładniej, jako materiał emitujący zastosowano monowarstwę WS2 (dwusiarczek wolframu), która ma imponujące energie wiązania ekscytonów, co stało się jednym z głównych kryteriów wyboru bazy materiałowej.
Połączenie wszystkich opisanych powyżej elementów pozwoliło na stworzenie sterowanej elektrycznie polarytonowej diody LED pracującej w temperaturze pokojowej.
Aby wdrożyć to urządzenie, monowarstwę WS2 umieszczono pomiędzy cienkimi heksagonalnymi barierami tunelowymi z azotku boru (hBN) z warstwami grafenu działającymi jako elektrody.
Wyniki badania
WS2, będący dichalkogenkiem metalu przejściowego, jest również atomowo cienkim materiałem van der Waalsa (vdW). Wskazuje to na jego wyjątkowe właściwości elektryczne, optyczne, mechaniczne i termiczne.
W połączeniu z innymi materiałami vdW, takimi jak grafen (jako przewodnik) i heksagonalny azotek boru (hBN, jako izolator), można zrealizować całą gamę sterowanych elektrycznie urządzeń półprzewodnikowych, w tym diod LED. Podobne kombinacje materiałów van der Waalsa i polarytonów realizowano już wcześniej, jak szczerze przyznają badacze. Jednak we wcześniejszych pismach powstałe systemy były złożone i niedoskonałe oraz nie ujawniały pełnego potencjału każdego z komponentów.
Jednym z pomysłów zainspirowanych poprzednikami było wykorzystanie dwuwymiarowej platformy materiałowej. W tym przypadku możliwe jest wdrożenie urządzeń o atomowo cienkich warstwach emisyjnych, które można zintegrować z innymi materiałami vdW pełniącymi rolę styków (grafen) i barier tunelowych (hBN). Ponadto ta dwuwymiarowość umożliwia łączenie polarytonowych diod LED z materiałami vdW o nietypowych właściwościach magnetycznych, silnym nadprzewodnictwie i/lub niestandardowych transferach topologicznych. W wyniku takiego połączenia można uzyskać zupełnie nowy typ urządzenia, którego właściwości mogą być bardzo nietypowe. Ale, jak mówią naukowcy, jest to temat na inne badanie.
Obraz nr 1
Na obrazie 1a przedstawia trójwymiarowy model urządzenia przypominającego tort. Górne zwierciadło rezonatora optycznego to warstwa srebrna, a dolne to 12 warstw rozłożonych Odbłyśnik Bragga*. W aktywnym regionie znajduje się strefa tuneli.
Rozproszony reflektor Bragga* - struktura kilku warstw, w której współczynnik załamania światła materiału okresowo zmienia się prostopadle do warstw.
Strefa tunelowa składa się z heterostruktury vdW składającej się z monowarstwy WS2 (emiter światła), cienkich warstw hBN po obu stronach monowarstwy (bariera tunelowa) oraz grafenu (przezroczyste elektrody do wprowadzania elektronów i dziur).
Dodano jeszcze dwie warstwy WS2, aby zwiększyć ogólną siłę oscylatora, a tym samym uzyskać wyraźniejsze rozszczepienie Rabi stanów polarytonowych.
Tryb pracy rezonatora dostraja się poprzez zmianę grubości warstwy PMMA (polimetakrylanu metylu, czyli pleksi).
Изображение 1b to jest migawka heterostruktury vdW na powierzchni rozproszonego reflektora Bragga. Ze względu na wysoki współczynnik odbicia rozproszonego reflektora Bragga, który jest dolną warstwą, strefa tunelowa na obrazie ma bardzo niski kontrast odbicia, w wyniku czego obserwuje się tylko górną grubą warstwę hBN.
Planować 1s przedstawia diagram strefowy heterostruktury vdW w geometrii tunelu w warunkach przemieszczenia. Elektroluminescencję (EL) obserwuje się powyżej napięcia progowego, gdy poziom Fermiego górnego (dolnego) grafenu jest przesunięty powyżej (poniżej) pasma przewodnictwa (walencyjnego) WS2, umożliwiając tunelowanie elektronu (dziury) do przewodnictwa WS2 (walencyjnego) zespół. Stwarza to sprzyjające warunki do powstawania ekscytonów w warstwie WS2, po których następuje radiacyjna (radiacyjna) rekombinacja elektron-dziura.
W przeciwieństwie do emiterów światła opartych na złączach pn, które wymagają domieszkowania do działania, EL z urządzeń tunelowych zależy wyłącznie od prądu tunelowego, co pozwala uniknąć strat optycznych i zmian rezystywności spowodowanych zmianami temperatury. Jednocześnie architektura tunelu pozwala na znacznie większy obszar promieniowania w porównaniu do urządzeń dichalkogenidowych opartych na złączach pn.
Изображение 1d pokazuje charakterystykę elektryczną gęstości prądu tunelowego (J) jako funkcja napięcia polaryzacji (V) między elektrodami grafenowymi. Gwałtowny wzrost prądu zarówno dla napięcia dodatniego, jak i ujemnego wskazuje na występowanie prądu tunelowego w strukturze. Przy optymalnej grubości warstw hBN (~2 nm) obserwuje się znaczny prąd tunelowania i wzrost czasu życia wszczepionych nośników dla rekombinacji radiacyjnej.
Przed eksperymentem elektroluminescencji urządzenie scharakteryzowano na podstawie odbicia światła białego z rozdzielczością kątową, aby potwierdzić obecność silnego wiązania ekscytonu.
Obraz nr 2
Na obrazie 2a pokazane są spektra współczynnika odbicia z rozdzielczością kątową z aktywnego obszaru urządzenia, pokazujące zachowanie zapobiegające przecinaniu. Fotoluminescencję (PL) obserwowano również przy wzbudzeniu nierezonansowym (460 nm), wykazując intensywną emisję z dolnej gałęzi polarytonu i słabszą emisję z górnej gałęzi polarytonu (2b).
Na 2s dyspersja elektroluminescencji polarytonu jest pokazana dla wstawienia 0.1 μA/μm2. Rozszczepienie Rabiego i rozstrojenie rezonatora uzyskane przez dopasowanie trybów oscylatora (biała linia ciągła i kropkowana) do eksperymentu elektroluminescencyjnego wynoszą odpowiednio ～33 meV i ～-13 meV. Rozstrojenie rezonatora definiuje się jako δ = Ec − Ex, gdzie Ex to energia ekscytonu, a Ec to energia fotonu rezonatora o zerowym pędzie w płaszczyźnie. Harmonogram 2d jest to cięcie pod różnymi kątami z dyspersji elektroluminescencyjnej. Tutaj wyraźnie widać dyspersję górnego i dolnego modu polarytonowego z antykrzyżowaniem występującym w strefie rezonansu ekscytonowego.
Obraz nr 3
Wraz ze wzrostem prądu tunelowego wzrasta całkowite natężenie EL. Słaby EL z polarytonów obserwuje się w pobliżu przemieszczenia progowego (3a), podczas gdy przy wystarczająco dużym przesunięciu powyżej progu emisja polarytonu staje się wyraźna (3b).
Na obrazie 3s pokazuje biegunowy wykres intensywności EL w funkcji kąta, przedstawiający wąski stożek emisji ± 15°. Charakter promieniowania pozostaje praktycznie niezmieniony zarówno dla minimalnego (zielona krzywa), jak i maksymalnego (pomarańczowa krzywa) prądu wzbudzenia. NA 3d zintegrowane natężenie jest pokazane dla różnych poruszających się prądów tunelowych, które, jak widać na wykresie, są dość liniowe. Dlatego zwiększenie prądu do dużych wartości może prowadzić do skutecznego rozpraszania polarytonów wzdłuż dolnej gałęzi i tworzenia niezwykle wąskiego wzorca promieniowania w wyniku generowania polarytonów. Jednak w tym eksperymencie nie było to możliwe ze względu na ograniczenia związane z przebiciem dielektrycznym bariery tunelowej hBN.
czerwone kropki na 3d pokaż pomiary innego wskaźnika - zewnętrznego wydajność kwantowa*.
Wydajność kwantowa* jest stosunkiem liczby fotonów, których absorpcja spowodowała powstanie kwazicząstek, do całkowitej liczby zaabsorbowanych fotonów.
Zaobserwowana wydajność kwantowa jest porównywalna z innymi polarytonowymi diodami LED (opartymi na materiałach organicznych, rurach węglowych itp.). Warto zaznaczyć, że grubość warstwy emitującej światło w badanym urządzeniu wynosi zaledwie 0.7 nm, podczas gdy w innych urządzeniach wartość ta jest znacznie wyższa. Naukowcy nie ukrywają, że kwantowy wskaźnik wydajności ich urządzenia nie jest najwyższy, ale można go zwiększyć, umieszczając wewnątrz strefy tunelowej większą liczbę monowarstw, oddzielonych cienkimi warstwami hBN.
Badacze przetestowali również wpływ rozstrojenia rezonatora na polaryton EL, wykonując kolejne urządzenie, ale z silniejszym rozstrojeniem (-43 meV).
Obraz nr 4
Na obrazie 4a Widma EL są pokazane z rozdzielczością kątową takiego urządzenia przy gęstości prądu 0.2 μA/μm2. Ze względu na silne rozstrojenie, urządzenie wykazuje wyraźny efekt wąskiego gardła w EL z maksimum emisji występującym pod dużym kątem. Jest to dodatkowo potwierdzone na obrazie. 4b, gdzie wykresy biegunowe tego urządzenia są porównywane z pierwszym (2s).
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się .
Epilog
Zatem wszystkie powyższe obserwacje i pomiary potwierdzają obecność elektroluminescencji polarytonowej w heterostrukturze vdW zatopionej w optycznej mikrownęce. Tunelowa architektura badanego urządzenia zapewnia wprowadzanie elektronów/dziur i rekombinację w monowarstwie WS2, która pełni rolę emitera światła. Co ważne, tunelowy mechanizm urządzenia nie wymaga stapiania komponentów, co minimalizuje straty i różne zmiany temperatury.
Stwierdzono, że EL ma wysoką kierunkowość ze względu na dyspersję rezonatora. Dlatego poprawa współczynnika jakości rezonatora i wyższe zasilanie prądem poprawi wydajność diod LED z mikrownękami, a także sterowanych elektrycznie polarytonów mikrownęk i laserów fotonowych.
Ta praca po raz kolejny potwierdziła, że dichalkogenki metali przejściowych mają naprawdę wyjątkowe właściwości i bardzo szeroki zakres zastosowań.
Takie badania i innowacyjne wynalazki mogą znacząco wpłynąć na rozwój i upowszechnienie technologii transmisji danych poprzez diody LED i samo światło. Do takich futurystycznych technologii należy Li-Fi, które może zapewnić znacznie większe prędkości niż obecnie dostępne Wi-Fi.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com