Durante muitos anos, cientistas de todo o mundo têm feito duas coisas - inventar e melhorar. E às vezes não está claro o que é mais difícil. Vejamos, por exemplo, os LEDs comuns, que nos parecem tão simples e comuns que nem prestamos atenção neles. Mas se você adicionar alguns excitons, uma pitada de polaritons e dissulfeto de tungstênio a gosto, os LEDs não serão mais tão prosaicos. Todos esses termos obscuros são nomes de componentes extremamente incomuns, cuja combinação permitiu aos cientistas do City College de Nova York criar um novo sistema capaz de transmitir informações com extrema rapidez usando a luz. Este desenvolvimento ajudará a melhorar a tecnologia Li-Fi. Quais ingredientes exatos da nova tecnologia foram utilizados, qual a receita desse “prato” e qual a eficiência operacional do novo LED exciton-polariton? O relatório dos cientistas nos dirá sobre isso. Ir.
Base do estudo
Se simplificarmos tudo em uma palavra, então esta tecnologia é leve e tudo relacionado a ela. Em primeiro lugar, os polaritons, que surgem quando os fótons interagem com as excitações do meio (fônons, excitons, plasmons, magnons, etc.). Em segundo lugar, os excitons são excitações eletrônicas em um dielétrico, semicondutor ou metal que migram por todo o cristal e não estão associadas à transferência de carga elétrica e massa.
É importante notar que essas quasipartículas amam muito o frio, ou seja, A sua actividade só pode ser observada a temperaturas extremamente baixas, o que limita enormemente a sua aplicação prática. Mas isso foi antes. Neste trabalho, os cientistas conseguiram superar a limitação de temperatura e utilizá-los em temperatura ambiente.
A principal característica dos polaritons é a capacidade de ligar fótons entre si. Os fótons que colidem com átomos de rubídio adquirem massa. No processo de colisões repetidas, os fótons ricocheteiam uns nos outros, mas em casos raros formam pares e trigêmeos, perdendo ao mesmo tempo o componente atômico representado pelo átomo de rubídio.
Mas para fazer algo com luz, você precisa captá-la. Para isso, é necessário um ressonador óptico, que é um conjunto de elementos reflexivos que formam uma onda de luz estacionária.
Neste estudo, o papel mais importante é desempenhado por quasipartículas ainda mais incomuns - excitons-polaritons, que são formados devido ao forte acoplamento de excitons e fótons presos em uma cavidade óptica.
Contudo, isto não é suficiente, porque é necessária uma base material, por assim dizer. E quem melhor do que o dichalcogeneto de metal de transição (TMD) desempenhará esse papel? Mais precisamente, foi utilizada como material emissor uma monocamada WS2 (dissulfeto de tungstênio), que possui impressionantes energias de ligação de excitons, o que se tornou um dos principais critérios para a escolha do material base.
A combinação de todos os elementos descritos acima permitiu criar um LED polariton controlado eletricamente operando à temperatura ambiente.
Para realizar este dispositivo, uma monocamada de WS2 é imprensada entre finas barreiras de túnel hexagonais de nitreto de boro (hBN) com camadas de grafeno atuando como eletrodos.
Resultados do estudo
WS2, sendo um dichalcogeneto de metal de transição, também é um material van der Waals (vdW) atomicamente fino. Isso demonstra suas propriedades elétricas, ópticas, mecânicas e térmicas únicas.
Em combinação com outros materiais vdW, como o grafeno (como condutor) e o nitreto de boro hexagonal (hBN, como isolante), pode ser realizada uma série de dispositivos semicondutores controlados eletricamente, que incluem LEDs. Combinações semelhantes de materiais de van der Waals e polaritons já foram realizadas antes, como afirmam abertamente os pesquisadores. Porém, em trabalhos anteriores, os sistemas resultantes eram complexos e imperfeitos, e não revelavam todo o potencial de cada componente.
Uma das ideias inspiradas nos antecessores foi a utilização de uma plataforma de material bidimensional. Neste caso, é possível realizar dispositivos com camadas emissivas atomicamente finas, que podem ser integradas a outros materiais vdW atuando como contatos (grafeno) e barreiras de túneis (hBN). Além disso, essa bidimensionalidade torna possível combinar LEDs polariton com materiais vdW que possuem propriedades magnéticas incomuns, forte supercondutividade e/ou transferências topológicas não padronizadas. Como resultado de tal combinação, pode ser obtido um tipo de dispositivo completamente novo, cujas propriedades podem ser bastante incomuns. Mas, como dizem os cientistas, este é um tema para outro estudo.
Imagem nº 1
na imagem 1a mostra um modelo tridimensional de um dispositivo que se assemelha a um bolo em camadas. O espelho superior do ressonador óptico é uma camada de prata, e o espelho inferior é uma camada distribuída de 12 camadas. Refletor Bragg*. A região ativa contém uma zona de túnel.
Refletor Bragg distribuído* - uma estrutura de várias camadas em que o índice de refração do material muda periodicamente perpendicularmente às camadas.
A zona do túnel consiste em uma heteroestrutura vdW composta por uma monocamada WS2 (emissor de luz), finas camadas de hBN em ambos os lados da monocamada (barreira do túnel) e grafeno (eletrodos transparentes para introdução de elétrons e buracos).
Mais duas camadas de WS2 foram adicionadas para aumentar a força geral do oscilador e, portanto, para produzir uma divisão Rabi mais pronunciada dos estados de polariton.
O modo de operação do ressonador é ajustado alterando a espessura da camada de PMMA (polimetilmetacrilato, ou seja, plexiglass).
imagem 1b Este é um instantâneo de uma heteroestrutura vdW na superfície de um refletor de Bragg distribuído. Devido à alta refletividade do refletor de Bragg distribuído, que é a camada inferior, a zona do túnel na imagem tem um contraste de refletância muito baixo, resultando na observação apenas da camada superior espessa de hBN.
O gráfico. 1c é o diagrama de zona vdW da heteroestrutura na geometria do túnel sob deslocamento. A eletroluminescência (EL) é observada acima da tensão limite quando o nível de Fermi do grafeno superior (inferior) é deslocado acima (abaixo) da banda de condução (valência) de WS2, permitindo que um elétron (buraco) faça um túnel na condução (valência) banda de WS2. Isto cria condições favoráveis para a formação de excitons na camada WS2 com subsequente recombinação radiativa (radiativa) de elétron-buraco.
Ao contrário dos emissores de luz de junção pn, que requerem dopagem para operar, o EL dos dispositivos de túnel depende exclusivamente da corrente do túnel, evitando perdas ópticas e quaisquer alterações na resistividade causadas por mudanças de temperatura. Ao mesmo tempo, a arquitetura do túnel permite uma região de emissão muito maior em comparação com dispositivos de dichalcogeneto baseados em junções pn.
imagem 1d demonstra as características elétricas da densidade de corrente de tunelamento (J) em função da tensão de polarização (V) entre eletrodos de grafeno. Um aumento acentuado na corrente para tensões positivas e negativas indica a ocorrência de corrente de tunelamento através da estrutura. Na espessura ideal das camadas de hBN (~2 nm), observa-se uma corrente de tunelamento significativa e um aumento na vida útil dos portadores incorporados para recombinação radiativa.
Antes de conduzir o experimento de eletroluminescência, o dispositivo foi caracterizado por refletância de luz branca com resolução angular para confirmar a presença de forte acoplamento excitônico.
Imagem nº 2
na imagem 2a São mostrados espectros de refletância resolvidos em ângulo da região ativa do dispositivo, demonstrando comportamento anti-cruzamento. A fotoluminescência (PL) também foi observada sob excitação não ressonante (460 nm), mostrando emissão intensa do ramo polariton inferior e emissão mais fraca do ramo polariton superior (2b).
На 2c mostra a dispersão da eletroluminescência polariton a uma taxa de injeção de 0.1 μA/μm2. A divisão de Rabi e a desafinação da cavidade obtidas ajustando os modos do oscilador (linha branca sólida e tracejada) ao experimento EL são ～33 meV e ～-13 meV, respectivamente. A desafinação da cavidade é definida como δ = Ec - Ex, onde Ex é a energia do exciton e Ec denota a energia do fóton da cavidade com momento zero no plano. Agendar 2d Este é um corte em ângulos diferentes da dispersão eletroluminescente. Aqui, a dispersão dos modos de polariton superior e inferior com anticruzamento ocorrendo na zona de ressonância do exciton é claramente visível.
Imagem nº 3
À medida que a corrente de tunelamento aumenta, a intensidade geral de EL aumenta. EL fraco de polaritons é observado próximo à mudança de limiar (3a), enquanto em um deslocamento suficientemente grande acima do limite, a emissão de polariton torna-se distinta (3b).
na imagem 3c mostra um gráfico polar da intensidade EL em função do ângulo, representando um cone de emissão estreito de ±15°. O padrão de radiação permanece praticamente inalterado tanto para a corrente de excitação mínima (curva verde) quanto para a corrente de excitação máxima (curva laranja). Sobre 3d mostra a intensidade integrada para várias correntes de túnel em movimento, que, como pode ser visto no gráfico, é bastante linear. Portanto, aumentar a corrente para valores altos pode levar a uma dispersão bem-sucedida de polaritons ao longo do ramo inferior e criar um padrão de emissão extremamente estreito devido à geração de polaritons. No entanto, nesta experiência não foi possível conseguir isto devido à limitação associada à ruptura dielétrica da barreira do túnel hBN.
Pontos vermelhos ativados 3d mostrar medições de outro indicador - externo eficiência quântica*.
Eficiência quântica* — a razão entre o número de fótons, cuja absorção causou a formação de quasipartículas, e o número total de fótons absorvidos.
A eficiência quântica observada é comparável à de outros LEDs polariton (baseados em materiais orgânicos, tubos de carbono, etc.). Vale ressaltar que no aparelho em estudo a espessura da camada emissora de luz é de apenas 0.7 nm, enquanto em outros aparelhos esse valor é bem maior. Os cientistas não escondem o fato de que a eficiência quântica de seu dispositivo não é das mais altas, mas pode ser aumentada colocando um maior número de monocamadas dentro da zona do túnel, separadas por finas camadas de hBN.
Os pesquisadores também testaram o efeito da desafinação do ressonador no polariton EL fazendo outro dispositivo, mas com uma desafinação mais forte (-43 meV).
Imagem nº 4
na imagem 4a Os espectros EL com resolução angular de tal dispositivo são mostrados a uma densidade de corrente de 0.2 μA/μm2. Devido à forte desafinação, o dispositivo exibe um efeito de gargalo pronunciado no EL, com o máximo de emissão ocorrendo em um grande ângulo. Isto é ainda confirmado na imagem 4b, onde os gráficos polares deste dispositivo são comparados com o primeiro (2c).
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Assim, todas as observações e medições descritas acima confirmam a presença de eletroluminescência polariton em uma heteroestrutura vdW construída em uma microcavidade óptica. A arquitetura do túnel do dispositivo em estudo garante a introdução de elétrons/buracos e recombinação na monocamada WS2, que serve como emissor de luz. É importante que o mecanismo de túnel do dispositivo não exija liga de componentes, o que minimiza perdas e diversas alterações relacionadas à temperatura.
Verificou-se que EL possui alta diretividade devido à dispersão do ressonador. Portanto, melhorar o fator de qualidade da cavidade e maior fornecimento de corrente melhorará a eficiência dos LEDs de microcavidades, bem como dos polaritons de microcavidades controlados eletricamente e dos lasers fotônicos.
Este trabalho confirmou mais uma vez que os dichalcogenetos de metais de transição possuem propriedades verdadeiramente únicas e uma ampla gama de aplicações.
Essas pesquisas e invenções inovadoras podem influenciar enormemente o desenvolvimento e a difusão de tecnologias de transmissão de dados utilizando LEDs e a própria luz. Essas tecnologias futurísticas incluem o Li-Fi, que pode fornecer velocidades significativamente mais altas do que o Wi-Fi disponível atualmente.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com