Ao longo dos anos, cientistas de todo o mundo se dedicaram a duas coisas - inventar e aperfeiçoar. E, às vezes, não está claro qual dessas tarefas é mais difícil. Pegue, por exemplo, os LEDs comuns, que nos parecem tão simples e cotidianos que nem prestamos atenção a eles. Mas se você adicionar um pouco de excitons, uma pitada de polaritons e dissulfeto de tungstênio a gosto, os LEDs já não parecerão tão prosaicos. Todos esses termos sofisticados são nomes de componentes extremamente incomuns, cuja combinação permitiu que cientistas do City College de Nova York criassem um novo sistema capaz de transmitir informações extremamente rapidamente usando luz. Este desenvolvimento ajudará a aprimorar a tecnologia Li-Fi. Quais exatamente foram os ingredientes da nova tecnologia, qual é a receita desse 'prato' e qual é a eficiência do novo LED de exciton-polaritônio? Sobre isso nos contará a apresentação dos cientistas. Vamos lá.
Base da pesquisa
Se tudo se resumir a uma palavra, essa tecnologia é luz e tudo que está relacionado a ela. Primeiro, os polaritons, que surgem da interação entre fótons e excitações do meio (fonons, excitons, plasmonas, magnons, etc.). Em segundo lugar, os excitons - uma excitação eletrônica em um dielétrico, semicondutor ou metal, migrando através do cristal e não associada ao transporte de carga elétrica e massa.
É importante notar que essas quasipartículas adoram o frio, ou seja, sua atividade só pode ser observada a temperaturas extremamente baixas, o que limita muito sua aplicação prática. Mas isso era no passado. Neste trabalho, os cientistas conseguiram superar a limitação de temperatura e usá-las a temperaturas ambientes.
A principal característica dos polaritons é a capacidade de unir fótons entre si. Fótons colidindo com átomos de rubídio ganham massa. Durante o processo de múltiplas colisões, os fótons se repelent, mas em raras ocasiões formam pares e trios, ao mesmo tempo em que perdem a parte atômica representada pelo átomo de rubídio.
Mas, para fazer algo com a luz, é preciso capturá-la. Para isso, é necessário um ressonador óptico, que consiste em um conjunto de elementos refletivos que formam uma onda de luz estacionária.
Neste estudo, um papel crucial é desempenhado por quasipartículas ainda mais incomuns — os exciton-polaritons, que se formam devido à forte interação entre excitons e fótons, capturados em um ressonador óptico.
No entanto, isso não é suficiente, pois uma base material é necessária, por assim dizer. E quem melhor do que os diclorocenos de metais de transição (DPM) desempenhará essa função. Para ser mais preciso, o material emissor utilizado foi um monocamada de WS2 (disulfeto de molibdênio), que possui energias de ligação de excitons impressionantes, tornando-se um dos principais critérios para a escolha da base material.
A combinação de todos os elementos descritos acima permitiu criar um diodo emissor de polaritons controlado eletricamente, funcionando à temperatura ambiente.
Para a realização deste dispositivo, o monocamada de WS2 está posicionado entre finas barreiras hexagonais de túnel feitas de nitreto de boro (hBN), com camadas de grafeno atuando como eletrodos.
Resultados da Pesquisa
O WS2, sendo um dicloroceno de metais de transição, é também um material atômico de Van der Waals (vdW). Isso destaca suas propriedades elétricas, ópticas, mecânicas e térmicas únicas.
Em combinação com outros materiais vdW, como grafeno (como condutor) e nitreto de boro hexagonal (hBN, como isolante), é possível realizar uma série de dispositivos semicondutores controlados eletricamente, que incluem diodos emissores. Combinações semelhantes de materiais de Van der Waals e polaritons já foram realizadas anteriormente, conforme afirmam os pesquisadores. No entanto, nas obras anteriores, as sistemas resultantes eram complexos e imperfeitos, além de não revelarem todo o potencial de cada um dos componentes.
Uma das ideias que foi inspirada em seus predecessores é a aplicação de uma plataforma material bidimensional. Nesse caso, é possível realizar dispositivos com camadas de emissão atomicamente finas, que podem ser integradas com outros materiais vdW atuando como contatos (grafeno) e barreiras de tunelamento (hBN). Além disso, essa bidimensionalidade permite combinar emissores de polaritons com materiais vdW que possuem propriedades magnéticas incomuns, alta supercondutividade e/ou transferências topológicas não convencionais. Como resultado dessa combinação, é possível obter um novo tipo de dispositivo, cujas propriedades podem ser bastante peculiares. Mas, como dizem os cientistas, isso é tema para outra pesquisa.
Imagem nº 1
Na imagem 1a é mostrada um modelo tridimensional do dispositivo, que se assemelha a um bolo de camadas. Como espelho superior do ressonador óptico, atua uma camada de prata, enquanto a inferior é um refletor distribuído de 12 camadas refletor de Bragg*. Na região ativa, está localizada uma zona de tunelamento.
Refletor de Bragg* é uma estrutura composta por várias camadas, na qual o índice de refração do material varia periodicamente perpendicularmente às camadas.
A zona de tunelamento é composta por uma heteroestrutura vdW formada por uma camada única de WS2 (emissor de luz), camadas finas de hBN em ambos os lados da camada única (barreira de tunelamento) e grafeno (eletrodos transparentes para injeção de elétrons e lacunas).
Foram adicionadas mais duas camadas de WS2 para aumentar a força total do gerador e, consequentemente, para uma divisão mais pronunciada dos estados de polariton de Rabi.
O modo de operação do ressonador é ajustado alterando a espessura da camada de PMMA (polimetilmetacrilato, ou seja, acrílico).
Imagem 1b esta é uma foto da heteroestrutura vdW na superfície do refletor de Bragg distribuído. Devido à alta capacidade refletora do refletor de Bragg distribuído, que é a camada inferior, a zona de tunelamento na foto apresenta um contraste de reflexão muito baixo, resultando na observação apenas da camada superior espessa de hBN.
Gráfico 1C representa uma zona de diagrama vdW de heteroestruturas na geometria de túnel sob deslocamento. A eletroluminescência (EL) é observada acima da tensão de limiar, quando o nível de Fermi do grafeno superior (inferior) é deslocado acima (abaixo) da banda de condução (valência) do WS2, permitindo que um elétron (buraco) tunnel para a banda de condução (valência) do WS2. Isso cria condições favoráveis para a formação de excitons na camada de WS2, com subsequente recombinação radiativa (emissiva) elétron-buraco.
Ao contrário dos emissores de luz baseados em junção p-n, cuja operação requer dopagem, a EL de dispositivos de túnel depende exclusivamente da corrente de túnel, evitando assim perdas ópticas e quaisquer mudanças na resistividade específicas causadas por variações de temperatura. Ao mesmo tempo, a arquitetura de túnel permite uma área de emissão muito maior em comparação com dispositivos de dicalcogenetos baseados em junções p-n.
Imagem 1d demonstra as características elétricas da densidade de corrente de túnel (J) como funções da tensão de deslocamento (V) entre os eletrodos de grafeno. O aumento acentuado da corrente tanto para a tensão positiva quanto para a negativa indica a ocorrência de corrente de túnel através da estrutura. Com a espessura ideal das camadas de hBN (~2 nm), observa-se uma corrente de túnel significativa e um aumento no tempo de vida dos portadores incorporados para a recombinação emissiva.
Antes de realizar o experimento de eletroluminescência, foi feita uma caracterização do dispositivo quanto à refletividade da luz branca com resolução angular para confirmar a presença de uma forte ligação de excitons.
Imagem nº 2
Na imagem 2a são mostrados os espectros de reflexão com resolução angular da área ativa do dispositivo, demonstrando um comportamento que impede a intersecção. A fotoluminescência (PL) também foi observada sob excitação não ressonante (460 nm), demonstrando intensa emissão do ramo inferior do polaritom e emissão mais fraca do ramo superior do polaritom (2b).
Sobre 2c A dispersão da eletroluminescência do polaritônio foi mostrada com a injeção de 0,1 μA/mk². A separação de Rabi e a perturbação do ressonador, obtidas através do ajuste de modos do oscilador (linha branca contínua e pontilhada) ao experimento eletroluminescente, são aproximadamente 33 meV e -13 meV, respectivamente. A perturbação do ressonador é definida como δ = Ec − Ex, onde Ex é a energia do excítono e Ec representa a energia do fóton do ressonador com momento nulo no plano. Gráfico 2d este é um corte em diferentes ângulos da dispersão eletroluminescente. Aqui, a dispersão dos modos polaritônicos superior e inferior com o antinocruzamento, ocorre na zona de ressonância do excítono.
Imagem nº 3
Com o aumento da corrente de tunelamento, a intensidade total do EL aumenta. A fraca EL dos polaritônios é observada perto da deslocamento de limiar (3a), enquanto que com um deslocamento suficientemente grande acima do limiar, a emissão polaritônica torna-se distinta (3b).
Na imagem 3c é mostrado um gráfico polar da intensidade do EL em função do ângulo, exibindo um cone estreito de emissão de ± 15°. O diagrama de radiação permanece praticamente inalterado tanto para a corrente mínima (curva verde) quanto para a corrente máxima (curva laranja). Na 3d é demonstrada a intensidade integrada com várias correntes de tunelamento em movimento, que, como visto no gráfico, é bastante linear. Portanto, o aumento da corrente para valores altos pode resultar na dispersão bem-sucedida dos polaritônios ao longo do ramo inferior e criar um diagrama de radiação extremamente estreito devido à geração de polaritônios. No entanto, neste experimento, isso não foi possível devido a limitações impostas pela ruptura dielétrica da barreira de tunelamento hBN.
Os pontos vermelhos em 3d mostram as medições de um outro parâmetro — eficiência quântica externa* eficiência quântica*.
é a razão do número de fótons cuja absorção levou à formação de quase-partículas, para o número total de fótons absorvidos. Quântica eficiência*
A eficiência quântica observada é comparável à de outros LEDs de polaritons (baseados em materiais orgânicos, tubos de carbono, etc.). Vale ressaltar que, no dispositivo estudado, a espessura da camada emissora é de apenas 0,7 nm, enquanto em outros dispositivos esse valor é significativamente maior. Os cientistas não escondem que o índice de eficiência quântica de seu dispositivo não é o mais alto, mas pode ser aumentado com a adição de mais mono-camadas dentro da zona de tunelamento, separadas por camadas finas de hBN.
Os pesquisadores também verificaram o impacto da desordem no ressonador sobre a EL do polariton, fabricando outro dispositivo, mas com uma desordem mais forte (-43 meV).
Imagem nº 4
Na imagem 4a são mostrados os espectros de EL com resolução angular deste dispositivo a uma densidade de corrente de 0,2 µA/micron². Devido à forte desordem, o dispositivo apresenta um efeito de gargalo de garrafa bem definido na EL, com um pico de emissão ocorrendo em um ângulo grande. Isso é adicionalmente confirmado na imagem 4b, onde são comparados os gráficos polares deste dispositivo com o primeiro (2c).
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Assim, todas as observações e medições acima descritas confirmam a presença de eletroluminescência de polaritons na heteroestrutura vdW embutida em um micro-resonador óptico. A arquitetura de tunelamento do dispositivo estudado possibilita a injeção de elétrons/furos e a recombinação em uma mono-camada de WS2, que serve como emissor de luz. É importante que o mecanismo de tunelamento do dispositivo não exija a dopagem de componentes, minimizando assim perdas e diversas mudanças relacionadas à temperatura.
Foi estabelecido que a EL possui alta direcionalidade devido à dispersão do ressonador. Consequentemente, a melhoria na qualidade do ressonador e um fornecimento de corrente mais elevado podem aumentar a eficiência dos LEDs microresonadores, bem como dos polaritons microresonadores eletricamente controlados e dos lasers fotônicos.
Este trabalho reafirmou mais uma vez que os dicetelogenetos de metais de transição possuem propriedades realmente únicas e um amplo espectro de aplicações.
Estudos semelhantes e invenções inovadoras podem impactar significativamente o desenvolvimento e a disseminação de tecnologias de transmissão de dados por meio de LEDs e da luz em si. Uma dessas tecnologias futuristas é o Li-Fi, que pode oferecer velocidades significativamente maiores do que as atualmente disponíveis com Wi-Fi.
Agradeço pela atenção, mantenham-se curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
