De-a lungul anilor, cercetători din întreaga lume s-au ocupat de două lucruri — de a inventa și de a perfecționa. Uneori este neclar ce anume este mai greu. Să luăm, de exemplu, ledurile obișnuite, care ni se par atât de simple și comune încât nu le acordăm atenție. Dar dacă adăugăm puțini excitoni, un praf de polaritoni și disulfid de wolfram după gust, ledurile nu vor mai fi atât de prozaice. Toți acești termeni complicati sunt denumiri pentru componente extrem de neobișnuite, a căror combinație a permis cercetătorilor de la City College din New York să creeze un nou sistem capabil să transmită informații extrem de rapid prin lumină. Această dezvoltare va ajuta la îmbunătățirea tehnologiei Li-Fi. Ce ingrediente exacte au fost folosite în noua tehnologie, care este rețeta acestui „fel de mâncare” și care este eficiența noului led exciton-polariton? Despre acestea ne va vorbi raportul cercetătorilor. Să începem.
Baza cercetării
Dacă simplificăm totul la un singur cuvânt, atunci această tehnologie este lumina și tot ce ține de ea. În primul rând, polaritonii care apar atunci când fotonii interacționează cu excitațiile mediului (făcând referire la fononi, excitoni, plasmoni, magnoni etc.). În al doilea rând, excitonii — excitație electronică într-un dielectric, semiconductor sau metal, care migrează prin cristal și nu este legată de transferul sarcinii electrice și masei.
Este important de menționat că aceste quasiparticule iubesc foarte mult frigul, adică activitatea lor poate fi observată doar la temperaturi extrem de scăzute, ceea ce limitează semnificativ utilizarea practică. Dar asta era înainte. În această lucrare, cercetătorii au reușit să depășească limita de temperatură și să le utilizeze la temperaturi de cameră.
Principala caracteristică a polaritonilor este capacitatea de a lega fotonii între ei. Fotonii care se ciocnesc cu atomii de rubidiu își capătă masă. În procesul de ciocniri repetate, fotonii se resping reciproc, dar în cazuri rare formează perechi și triplete, pierzând totodată componenta atomică reprezentată de atomul de rubidiu.
Dar, pentru a face ceva cu lumina, aceasta trebuie prinsă. Pentru aceasta este necesar un rezonator optic, care reprezintă o combinație de elemente reflectorizante, formând o undă luminoasă staționară.
În această cercetare, un rol esențial îl au particulele cu totul neobișnuite - exciton-polaritoni, care se formează datorită interacțiunii puternice dintre excitoni și fotoni, prinsi într-un rezonator optic.
Cu toate acestea, aceasta nu este suficient, deoarece este necesară o bază materială, așa cum se spune. Și cine, dacă nu dihialcogenidele metalelor de tranziție (DPM), va juca cel mai bine acest rol? Mai exact, ca material de emisie a fost utilizat monolay WS2 (disulfid de tungsten), care are energii de legătură a excitonilor impresionante, ceea ce a devenit unul dintre criteriile principale pentru alegerea bazei materiale.
Concomitența tuturor elementelor descrise mai sus a permis crearea unui diod polaritonic electric controlat, care funcționează la temperaturi ambientale.
Pentru realizarea acestui dispozitiv, monolay WS2 este plasat între bariere subțiri hexagonale din nitrură de bor (hBN), având straturi de grafen, care acționează ca electrozi.
Rezultatele cercetării
WS2, fiind o dihialcogenidă a metalelor de tranziție, este de asemenea un material Van-der-Waals (vdW) subțire din punct de vedere atomic. Aceasta indică proprietățile sale electrice, optice, mecanice și termice unice.
În combinație cu alte materiale vdW, cum ar fi grafenul (ca conductor) și nitrura hexagonală de bor (hBN, ca izolator), se pot realiza o serie întreagă de dispozitive semiconductoare controlate electric, dintre care fac parte și diodurile. Astfel de combinații ale materialelor Van-der-Waals și ale polaritonilor au fost realizate anterior, așa cum afirmă cercetătorii. Cu toate acestea, în lucrările anterioare, sistemele obținute erau complexe și imperfecte, nefiind capabile să dezvăluie întregul potențial al fiecărui component.
Una dintre ideile inspirate de predecesori a fost utilizarea unei platforme materiale bidimensionale. În acest caz, pot fi realizate dispozitive cu straturi emisie atomar subțiri, care pot fi integrate cu alte materiale vdW, care acționează ca contacte (grafen) și bariere de tunelare (hBN). Mai mult, această bidimensionalitate permite combinarea LED-urilor polaritoni cu materiale vdW care au proprietăți magnetice neobișnuite, superconductivitate puternică și/sau transporturi topologice non-standard. Ca urmare a acestei combinații, se poate obține un nou tip de dispozitiv, a cărui proprietăți pot fi foarte neobișnuite. Dar, așa cum spun oamenii de știință, acesta este subiectul unei cercetări ulterioare.
Imaginea nr. 1
În imaginea 1a este prezentat un model tridimensional al unui dispozitiv, care amintește de o plăcintă stratificată. Ca oglindă superioară a rezonatorului optic, este utilizat un strat de argint, iar ca strat inferior — un reflector distribuit cu 12 straturi. reflector bragg*. În zona activă se află o zonă de tunelare.
Reflectorul bragg distribuit* — o structură formată din mai multe straturi, în care indicele de refracție al materialului se schimbă periodic perpendicular pe straturi.
Zona de tunelare este formată dintr-o heterostructură vdW compusă dintr-un monostrat WS2 (emitent de lumină), straturi subțiri de hBN de ambele părți ale monostraturii (barieră de tunel) și grafen (electrozi transparenți pentru injectarea electronilor și a golurilor).
Au fost adăugate încă două straturi WS2 pentru a crește puterea totală a generatorului și, prin urmare, pentru a accentua mai mult divizarea stărilor polaritonice Rabi.
Modul de funcționare al rezonatorului este reglat prin modificarea grosimii stratului de PMMA (polimetilmetacrilat, adică acrilic).
Imaginea 1b aceasta este o imagine a heterostructurii vdW pe suprafața reflectorului bragg distribuit. Datorită puterii reflectante ridicate a reflectorului bragg distribuit, care este stratul de bază, zona de tunelare din imagine are un contrast de reflexie foarte scăzut, rezultând astfel doar un strat gros de hBN vizibil în partea de sus.
Graficul 1C reprezintă un diagramă vdW a heterostructurii în geometria tunelului la deplasare. Electroluminescența (EL) este observată peste pragul de tensiune, când nivelul Fermi al grafenului superior (inferior) este deplasat deasupra (sub) zonei de conducție (valență) WS2, permițând electronului (golului) să tunelizze în zona de conducție (valență) WS2. Aceasta creează condiții favorabile pentru formarea excitonilor în stratul de WS2, cu o recombinare radiativă (emisivă) electron-gol.
Spre deosebire de emițătorii de lumină pe bază de joncțiuni p-n, pentru care este necesară doparea, EL de la dispozitivele de tunelare depinde exclusiv de curentul de tunel, ceea ce permite evitarea pierderilor optice și a oricăror modificări ale rezistenței specifice cauzate de schimbarea temperaturii. În același timp, arhitectura tunelului permite o zonă de emisie mult mai mare în comparație cu dispozitivele pe bază de joncțiuni p-n din dicalcogenide.
Imaginea 1d demonstrează caracteristicile electrice ale densității curentului de tunel (J) ca funcție a tensiunii de deplasare (V) între electrozii de grafen. O creștere bruscă a curentului atât pentru tensiunea pozitivă, cât și pentru cea negativă indică apariția curentului de tunel prin structură. La o grosime optimă a straturilor hBN (~2 nm), se observă un curent de tunel semnificativ și o creștere a timpului de viață al purtătorilor încorporați pentru recombinarea emisivă.
Înainte de a efectua experimentul de electroluminescență, a fost realizată caracterizarea dispozitivului în funcție de capacitatea de reflecție a luminii albe cu rezoluție unghiulară pentru a confirma existența unei legături puternice a excitonilor.
Imaginea nr. 2
În imaginea 2a sunt prezentate spectre de reflecție cu rezoluție unghiulară din zona activă a dispozitivului, demonstrând un comportament ce împiedică intersectarea. De asemenea, a fost observată fotoluminescența (PL) la excitație non-rezonantă (460 nm), demonstrând o emisivitate intensă din ramura inferioară a polaritonului și o emisivitate mai slabă din ramura superioară a polaritonului (2b).
Pe 2s se arată dispersia electroluminescenței polaritonului la o injecție de 0,1 μA/micrometri pătrați. Despicarea Rabi și detuningul rezonatorului, obținute prin ajustarea modului oscilatorului (linia albă continuă și punctată) la experimentul electroluminescent, sunt de aproximativ 33 meV și -13 meV, respectiv. Detuningul rezonatorului este definit ca δ = Ec − Ex, unde Ex este energia excitonului, iar Ec reprezintă energia fotonului rezonatorului cu impuls zero în plan. Grafic 2d este o secțiune din dispersia electroluminescentă sub unghiuri diferite. Aici se poate observa clar dispersia modurilor polaritonilor superior și inferior cu antiparalelismul care are loc în zona rezonanței excitonice.
Imaginea nr. 3
Pe măsură ce curentul de tunelare crește, intensitatea totală a EL-ului crește. EL-ul slab de la polaritoni este observat aproape de deplasarea de prag (3a), în timp ce la o deplasare suficient de mare deasupra pragului, emisia polaritonică devine distinctă (3b).
În imaginea 3s se arată un grafic polar al intensității EL ca funcție de unghi, ilustând un con îngust de emisie ± 15°. Diagrama de radiație rămâne practic neschimbată atât pentru curentul minim (curba verde), cât și pentru curentul maxim (curba portocalie). La 3d se arată intensitatea integrată la diferite curenți de tunel în mișcare, care, după cum se poate observa din grafic, este suficient de liniară. Prin urmare, creșterea curentului la valori mari poate duce la dispersarea cu succes a polaritonilor de-a lungul ramurii inferioare și poate crea o diagramă de radiație extrem de îngustă datorită generației polaritonilor. Totuși, în acest experiment, acest lucru nu a fost posibil din cauza limitării legate de ruperea dielectrica a barierei de tunel hBN.
Punctele roșii de pe 3d arată măsurările unei alte măsuri — eficiența quantum externă eficiența quantum*.
Eficiența quantum* reprezintă raportul dintre numărul fotonilor ale căror absorbție a provocat formarea quasiparticulelor și numărul total de fotoni absorbiți.
Eficiența cuantic observată este comparabilă cu cea a altor diode emițătoare de polariton (bazate pe materiale organice, tuburi de carbon etc.). Este important de menționat că, în dispozitivul studiat, grosimea stratului emițător de lumină este de doar 0.7 nm, în timp ce în alte dispozitive acestă valoare este mult mai mare. Oamenii de știință nu ascund faptul că indicele de eficiență cuantică al dispozitivului lor nu este cel mai mare, dar acesta poate fi crescut prin plasarea unui număr mai mare de monostraturi în zona de tunel, separate prin straturi subțiri de hBN.
Cercetătorii au verificat, de asemenea, influența perturbării rezonatoare asupra EL-ului polariton, fabricând un alt dispozitiv, dar cu o perturbare mai mare (- 43 meV).
Imaginea nr. 4
În imaginea 4a Sunt prezentate spectrele EL cu rezoluție unghiulară a acestui dispozitiv la o densitate de curent de 0.2 μA/mkm2. Din cauza perturbării puternice, dispozitivul demonstrează un efect pronunțat de gât de sticlă în EL, cu un maxim de emisie care se produce sub un unghi mare. Acest lucru este confirmat suplimentar în imaginea 4b, unde sunt comparate graficele polare ale acestui dispozitiv cu cele ale primului (2s).
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați .
Epilog
Astfel, toate observațiile și măsurările descrise anterior confirmă existența electroluminescenței polaritonice în structura vdW, integrată într-un microrezonator optic. Arhitectura de tunel a dispozitivului studiat asigură injectarea electronilor/puțurilor și recombinarea în monostratura WS2, care servește drept emitent de lumină. Este important de menționat că mecanismul de tunel al dispozitivului nu necesită doping al componentelor, ceea ce minimizează pierderile și diferitele modificări legate de temperatură.
S-a stabilit că EL-ul are o direcționalitate ridicată datorită dispersiei rezonatoarelor. Prin urmare, îmbunătățirea calității rezonatoarelor și o alimentare de curent mai mare vor permite creșterea eficienței diodelor emitoare de microrezonator, precum și a polaritonilor microrezonatorilor controlați electric și a laserelor fotonice.
Această lucrare a confirmat din nou că dicarburi de tranziție au într-adevăr proprietăți unice și o gamă foarte largă de aplicații.
Studii și invenții similare pot influența semnificativ dezvoltarea și răspândirea tehnologiilor de transmitere a datelor prin intermediul LED-urilor și al luminii în general. Printre aceste tehnologii futuriste se numără Li-Fi, care poate oferi viteză considerabil mai mare decât Wi-Fi-ul actual.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și o săptămână de lucru bună, băieți! 🙂
Vă mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne făcând o comandă sau recomandându-ne prietenilor. 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
