De mulți ani, oamenii de știință din întreaga lume au făcut două lucruri - inventează și îmbunătățesc. Și uneori nu este clar care este mai dificil. Luați, de exemplu, LED-urile obișnuite, care ni se par atât de simple și obișnuite încât nici nu le acordăm atenție. Dar dacă adăugați câțiva excitoni, un vârf de polariton și disulfură de wolfram după gust, LED-urile nu vor mai fi atât de prozaice. Toți acești termeni abstruși sunt numele unor componente extrem de neobișnuite, a căror combinație a permis oamenilor de știință de la City College din New York să creeze un nou sistem capabil să transmită informații extrem de rapid folosind lumina. Această dezvoltare va ajuta la îmbunătățirea tehnologiei Li-Fi. Ce ingrediente exacte ale noii tehnologii au fost folosite, care este rețeta pentru acest „vaș” și care este eficiența de funcționare a noului LED exciton-polariton? Raportul oamenilor de știință ne va spune despre acest lucru. Merge.
Baza cercetării
Dacă simplificăm totul la un cuvânt, atunci această tehnologie este ușoară și tot ce este legat de ea. În primul rând, polaritonii, care apar atunci când fotonii interacționează cu excitațiile mediului (fononi, excitoni, plasmoni, magnoni etc.). În al doilea rând, excitonii sunt excitații electronice într-un dielectric, semiconductor sau metal care migrează în tot cristalul și nu sunt asociați cu transferul de sarcină și masă electrică.
Este important de menționat că aceste cvasiparticule iubesc foarte mult frigul, adică. Activitatea lor poate fi observată doar la temperaturi extrem de scăzute, ceea ce limitează foarte mult aplicarea lor practică. Dar asta a fost înainte. În această lucrare, oamenii de știință au reușit să depășească limitarea temperaturii și să le folosească la temperatura camerei.
Caracteristica principală a polaritonilor este capacitatea de a lega fotonii între ei. Fotonii care se ciocnesc cu atomii de rubidiu dobândesc masă. În procesul de ciocniri repetate, fotonii sară unul pe altul, dar în cazuri rare formează perechi și tripleți, pierzând în același timp componenta atomică reprezentată de atomul de rubidiu.
Dar pentru a face ceva cu lumină, trebuie să o prinzi. Pentru aceasta, este nevoie de un rezonator optic, care este un set de elemente reflectorizante care formează o undă luminoasă staționară.
În acest studiu, cel mai important rol îl au cvasiparticule și mai neobișnuite - exciton-polaritoni, care se formează datorită cuplării puternice a excitonilor și fotonilor prinși într-o cavitate optică.
Totuși, acest lucru nu este suficient, pentru că este nevoie de o bază materială, ca să spunem așa. Și cine va juca acest rol mai bine decât dicalcogenura de metal de tranziție (TMD)? Mai precis, ca material emițător a fost folosit un monostrat WS2 (disulfură de wolfram), care are energii impresionante de legare a excitonilor, care a devenit unul dintre criteriile principale de alegere a bazei materialului.
Combinația tuturor elementelor descrise mai sus a făcut posibilă crearea unui LED polariton controlat electric care funcționează la temperatura camerei.
Pentru a realiza acest dispozitiv, un monostrat de WS2 este intercalat între bariere subțiri de nitrură de bor hexagonală (hBN), cu straturi de grafen care acționează ca electrozi.
Rezultatele studiului
WS2, fiind o dicalcogenură de metal de tranziție, este, de asemenea, un material van der Waals (vdW) subțire atomic. Acest lucru se referă la proprietățile sale electrice, optice, mecanice și termice unice.
În combinație cu alte materiale vdW, cum ar fi grafenul (ca conductor) și nitrura de bor hexagonală (hBN, ca izolator), pot fi realizate o mulțime de dispozitive semiconductoare controlate electric, care includ LED-uri. Combinații similare de materiale van der Waals și polaritoni au fost deja realizate înainte, după cum afirmă în mod deschis cercetătorii. Cu toate acestea, în lucrările anterioare, sistemele rezultate au fost complexe și imperfecte și nu au dezvăluit întregul potențial al fiecărei componente.
Una dintre ideile care a fost inspirată de predecesori a fost utilizarea unei platforme materiale bidimensionale. În acest caz, este posibil să se realizeze dispozitive cu straturi emisive subțiri atomic, care pot fi integrate cu alte materiale vdW care acționează ca contacte (grafen) și bariere de tunel (hBN). În plus, o astfel de bidimensionalitate face posibilă combinarea LED-urilor polariton cu materiale vdW care au proprietăți magnetice neobișnuite, supraconductivitate puternică și/sau transferuri topologice non-standard. Ca urmare a unei astfel de combinații, se poate obține un tip complet nou de dispozitiv, ale cărui proprietăți pot fi destul de neobișnuite. Dar, după cum spun oamenii de știință, acesta este un subiect pentru un alt studiu.
Imaginea #1
Pe imagine 1a prezintă un model tridimensional al unui dispozitiv care seamănă cu un tort stratificat. Oglinda superioară a rezonatorului optic este un strat de argint, iar oglinda inferioară este un strat distribuit în 12 straturi. reflector Bragg*. Regiunea activă conține o zonă de tunel.
reflector Bragg distribuit* - o structură din mai multe straturi în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic perpendicular pe straturi.
Zona de tunel constă dintr-o heterostructură vdW formată dintr-un monostrat WS2 (emițător de lumină), straturi subțiri de hBN pe ambele părți ale monostratului (bariera de tunel) și grafen (electrozi transparenți pentru introducerea electronilor și găurilor).
Au fost adăugate încă două straturi de WS2 pentru a crește puterea generală a oscilatorului și, prin urmare, pentru a produce o divizare Rabi mai pronunțată a stărilor polaritonului.
Modul de funcționare al rezonatorului este ajustat prin modificarea grosimii stratului de PMMA (metacrilat de polimetil, adică plexiglas).
Изображение 1b Acesta este un instantaneu al unei heterostructuri vdW pe suprafața unui reflector Bragg distribuit. Datorită reflectivității ridicate a reflectorului Bragg distribuit, care este stratul inferior, zona tunelului din imagine are un contrast de reflectanță foarte scăzut, rezultând doar observarea stratului superior gros hBN.
Programa 1s reprezintă diagrama zonei vdW a heterostructurii în geometria tunelului sub deplasare. Electroluminiscența (EL) este observată deasupra tensiunii de prag atunci când nivelul Fermi al grafenului superior (jos) este deplasat deasupra (dedesubt) benzii de conducție (valență) a WS2, permițând unui electron (gaură) să intre în conductă (valență) banda de WS2. Acest lucru creează condiții favorabile pentru formarea de excitoni în stratul WS2 cu recombinare ulterioară radiativă (radiativă) electron-gaură.
Spre deosebire de emițătoarele de lumină cu joncțiune pn, care necesită dopaj pentru a funcționa, EL de la dispozitivele de tunel depinde numai de curentul de tunel, evitând pierderile optice și orice modificări ale rezistivității cauzate de schimbările de temperatură. În același timp, arhitectura tunelului permite o regiune de emisie mult mai mare în comparație cu dispozitivele de dicalcogenă bazate pe joncțiuni pn.
Изображение 1d demonstrează caracteristicile electrice ale densității curentului de tunel (J) în funcție de tensiunea de polarizare (V) între electrozii de grafen. O creștere bruscă a curentului atât pentru tensiunile pozitive, cât și pentru cele negative indică apariția curentului de tunel prin structură. La grosimea optimă a straturilor de hBN (~ 2 nm), se observă un curent de tunel semnificativ și o creștere a duratei de viață a purtătorilor încorporați pentru recombinarea radiativă.
Înainte de a efectua experimentul de electroluminiscență, dispozitivul a fost caracterizat prin reflectanța luminii albe rezolvate în unghi pentru a confirma prezența unui cuplaj excitonic puternic.
Imaginea #2
Pe imagine 2a Sunt prezentate spectre de reflectare rezolvate în unghi din regiunea activă a dispozitivului, demonstrând comportamentul anti-încrucișare. Fotoluminiscența (PL) a fost observată și sub excitație nerezonantă (460 nm), prezentând o emisie intensă din ramura polaritonului inferioară și o emisie mai slabă din ramura polaritonului superior (2b).
Pe 2s arată dispersia electroluminiscenței polaritonului la o viteză de injecție de 0.1 μA/μm2. Diviziunea Rabi și deacordarea cavității obținute prin potrivirea modurilor oscilatorului (linie albă continuă și întreruptă) la experimentul EL sunt ～33 meV și, respectiv, ～-13 meV. Deacordarea cavității este definită ca δ = Ec − Ex, unde Ex este energia excitonului și Ec reprezintă energia fotonului cavității cu impuls zero în plan. Programa 2d Aceasta este o tăietură în unghiuri diferite față de dispersia electroluminiscentă. Aici, dispersia modurilor de polariton superior și inferior cu antiîncrucișarea care are loc în zona de rezonanță a excitonului este clar vizibilă.
Imaginea #3
Pe măsură ce curentul de tunel crește, intensitatea generală EL crește. EL slabă de la polaritoni este observată în apropierea deplasării pragului (3a), în timp ce la o deplasare suficient de mare deasupra pragului, emisia de polariton devine distinctă (3b).
Pe imagine 3s prezintă o diagramă polară a intensității EL în funcție de unghi, ilustrând un con de emisie îngust de ±15°. Modelul de radiație rămâne practic neschimbat atât pentru curentul de excitație minim (curba verde) cât și pentru cel maxim (curba portocalie). Pe 3d arată intensitatea integrată pentru diverși curenți de tunel în mișcare, care, după cum se poate vedea din grafic, este destul de liniară. Prin urmare, creșterea curentului la valori ridicate poate duce la împrăștierea cu succes a polaritonilor de-a lungul ramurii inferioare și poate crea un model de emisie extrem de îngust datorită generării de polariton. Cu toate acestea, în acest experiment nu a fost posibil să se realizeze acest lucru din cauza limitării asociate cu defalcarea dielectrică a barierei tunelului hBN.
Puncte roșii aprinse 3d arată măsurătorile unui alt indicator - extern eficienta cuantica*.
Eficiență cuantică* — raportul dintre numărul de fotoni, a căror absorbție a determinat formarea de cvasiparticule, și numărul total de fotoni absorbiți.
Eficiența cuantică observată este comparabilă cu cea a altor LED-uri polariton (pe baza de materiale organice, tuburi de carbon etc.). Este de remarcat faptul că în dispozitivul studiat grosimea stratului emițător de lumină este de numai 0.7 nm, în timp ce la alte dispozitive această valoare este mult mai mare. Oamenii de știință nu ascund faptul că eficiența cuantică a dispozitivului lor nu este cea mai mare, dar poate fi crescută prin plasarea unui număr mai mare de monostraturi în interiorul zonei tunelului, separate prin straturi subțiri de hBN.
Cercetătorii au testat, de asemenea, efectul detonării rezonatorului asupra polaritonului EL prin realizarea unui alt dispozitiv, dar cu o dezacordare mai puternică (-43 meV).
Imaginea #4
Pe imagine 4a Spectrele EL cu rezoluție unghiulară a unui astfel de dispozitiv sunt prezentate la o densitate de curent de 0.2 μA/μm2. Datorită detonării puternice, dispozitivul prezintă un efect de blocaj pronunțat în EL, maximul de emisie având loc la un unghi mare. Acest lucru este confirmat în continuare în imagine 4b, unde graficele polare ale acestui dispozitiv sunt comparate cu primul (2s).
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la .
Epilog
Astfel, toate observațiile și măsurătorile descrise mai sus confirmă prezența electroluminiscenței polariton într-o heterostructură vdW construită într-o microcavitate optică. Arhitectura tunel a dispozitivului studiat asigură introducerea de electroni/găuri și recombinare în monostratul WS2, care servește ca emițător de lumină. Este important ca mecanismul tunel al dispozitivului să nu necesite alierea componentelor, ceea ce reduce la minimum pierderile și diferitele modificări legate de temperatură.
S-a constatat că EL are o directivitate mare datorită dispersiei rezonatorului. Prin urmare, îmbunătățirea factorului de calitate a cavității și livrarea de curent mai mare va îmbunătăți eficiența LED-urilor cu microcavități, precum și polaritonurile microcavității controlate electric și laserele fotonice.
Această lucrare a confirmat încă o dată că dicalcogenurile metalelor de tranziție au proprietăți cu adevărat unice și o gamă foarte largă de aplicații.
Astfel de cercetări și invenții inovatoare pot influența foarte mult dezvoltarea și răspândirea tehnologiilor de transmisie a datelor folosind LED-uri și lumina în sine. Astfel de tehnologii futuriste includ Li-Fi, care poate oferi viteze semnificativ mai mari decât Wi-Fi-ul disponibil în prezent.
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și o săptămână minunată băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com