Vedci z celého sveta už dlhé roky robia dve veci – vymýšľajú a zlepšujú. A niekedy nie je jasné, čo z toho je ťažšie. Vezmite si napríklad obyčajné LED diódy, ktoré sa nám zdajú také jednoduché a obyčajné, že im nevenujeme pozornosť. Ale ak k tomu pridáte nejaké excitóny, štipku polaritónov a sulfid wolfrámový podľa chuti, LEDky už nebudú také prozaické. Všetky tieto nejasné výrazy sú názvy mimoriadne nezvyčajných komponentov, ktorých kombinácia umožnila vedcom z City College of New York vytvoriť nový systém, ktorý dokáže extrémne rýchlo prenášať informácie pomocou svetla. Tento vývoj pomôže zlepšiť technológiu Li-Fi. Aké presne boli použité ingrediencie novej technológie, aký je recept na toto „jedlo“ a aká je účinnosť novej excitón-polaritónovej LED? Správa vedcov nám o tom povie. Choď.
Výskumný základ
Ak sa všetko zjednoduší do jedného slova, potom je táto technológia ľahká a všetko s ňou spojené. Po prvé, polaritóny, ktoré vznikajú pri interakcii fotónov so strednými excitáciami (fonóny, excitóny, plazmóny, magnóny atď.). Po druhé, excitóny sú elektronické budenie v dielektriku, polovodiči alebo kove, ktoré migruje cez kryštál a nie je spojené s prenosom elektrického náboja a hmoty.
Je dôležité poznamenať, že tieto kvázičastice majú veľmi radi chlad; ich aktivitu možno pozorovať len pri extrémne nízkych teplotách, čo výrazne obmedzuje ich praktické využitie. Ale to bolo predtým. V tejto práci vedci dokázali prekonať teplotné obmedzenie a použiť ich pri izbových teplotách.
Hlavnou črtou polaritónov je schopnosť navzájom viazať fotóny. Fotóny, ktoré sa zrážajú s atómami rubídia, získavajú hmotnosť. V procese viacnásobných zrážok sa fotóny od seba odrážajú, ale v zriedkavých prípadoch vytvárajú páry a trojice, pričom strácajú atómovú zložku reprezentovanú atómom rubídia.
Aby sa však so svetlom dalo niečo urobiť, treba ho chytiť. Na to je potrebný optický rezonátor, čo je kombinácia reflexných prvkov, ktoré tvoria stojatú svetelnú vlnu.
V tejto štúdii zohrávajú kľúčovú úlohu ešte nezvyčajnejšie kvázičastice, excitón-polaritóny, ktoré sa tvoria v dôsledku silného spojenia excitónov a fotónov zachytených v optickej dutine.
To však nestačí, pretože materiálny základ je takpovediac nevyhnutný. A kto, ak nie dichalkogenid prechodného kovu (TDM), bude hrať túto úlohu lepšie ako ostatní. Presnejšie povedané, ako emitujúci materiál bola použitá monovrstva WS2 (sulfid volfrámový), ktorý má pôsobivé energie viazania excitónu, čo sa stalo jedným z hlavných kritérií pri výbere materiálovej základne.
Kombinácia všetkých vyššie opísaných prvkov umožnila vytvoriť elektricky ovládanú polaritónovú LED pracujúcu pri izbovej teplote.
Na implementáciu tohto zariadenia je monovrstva WS2 umiestnená medzi tenkými tunelovými bariérami z nitridu bóru (hBN) s vrstvami grafénu pôsobiacimi ako elektródy.
Výsledky štúdie
WS2, ktorý je dichalkogenidom prechodného kovu, je tiež atómovo tenký van der Waalsov (vdW) materiál. To naznačuje jeho jedinečné elektrické, optické, mechanické a tepelné vlastnosti.
V kombinácii s inými materiálmi vdW, ako je grafén (ako vodič) a hexagonálny nitrid bóru (hBN, ako izolant), je možné realizovať celý rad elektricky ovládaných polovodičových zariadení, medzi ktoré patria LED diódy. Podobné kombinácie van der Waalsových materiálov a polaritónov už boli realizované predtým, ako výskumníci úprimne uvádzajú. V predchádzajúcich spisoch však boli výsledné systémy zložité a nedokonalé a neodhalili plný potenciál každého z komponentov.
Jednou z myšlienok inšpirovaných predchodcami bolo použitie dvojrozmernej materiálovej platformy. V tomto prípade je možné implementovať zariadenia s atómovo tenkými emisnými vrstvami, ktoré možno integrovať s inými materiálmi vdW pôsobiacimi ako kontakty (grafén) a bariéry tunelovania (hBN). Táto dvojrozmernosť navyše umožňuje kombinovať polaritónové LED s vdW materiálmi, ktoré majú nezvyčajné magnetické vlastnosti, silnú supravodivosť a/alebo neštandardné topologické prenosy. V dôsledku takejto kombinácie môžete získať úplne nový typ zariadenia, ktorého vlastnosti môžu byť veľmi neobvyklé. Ale ako hovoria vedci, toto je téma pre inú štúdiu.
Obrázok č. 1
Na obrázku 1 ukazuje trojrozmerný model zariadenia, ktoré pripomína poschodovú tortu. Horné zrkadlo optického rezonátora je strieborná vrstva a spodné zrkadlo je rozdelené na 12 vrstiev Braggov reflektor*. V aktívnej oblasti sa nachádza tunelová zóna.
Distribuovaný Braggov reflektor* - štruktúra viacerých vrstiev, v ktorej sa kolmo na vrstvy periodicky mení index lomu materiálu.
Tunelová zóna pozostáva z vdW heteroštruktúry pozostávajúcej z WS2 monovrstvy (žiarič svetla), tenkých hBN vrstiev na oboch stranách monovrstvy (tunelová bariéra) a grafénu (priehľadné elektródy na zavádzanie elektrónov a dier).
Pridali sa ďalšie dve vrstvy WS2, aby sa zvýšila celková sila oscilátora, a teda aby sa dosiahlo výraznejšie Rabi rozdelenie polaritónov.
Pracovný režim rezonátora sa ladí zmenou hrúbky vrstvy PMMA (polymetylmetakrylát, t.j. plexisklo).
Изображение 1b toto je snímka heteroštruktúry vdW na povrchu distribuovaného Braggovho reflektora. Vďaka vysokej odrazivosti distribuovaného Braggovho reflektora, čo je spodná vrstva, má tunelová zóna na obrázku veľmi nízky kontrast odrazu, v dôsledku čoho je pozorovaná iba horná hrubá vrstva hBN.
Naplánovať 1s predstavuje zónový diagram heteroštruktúry vdW v geometrii tunela pri posune. Elektroluminiscencia (EL) sa pozoruje nad prahovým napätím, keď sa Fermiho hladina horného (dolného) grafénu posunie nad (pod) vodivý (valenčný) pás WS2, čo umožňuje elektrónu (diere) tunelovať do vodivosti (valencie) WS2. kapela. To vytvára priaznivé podmienky pre tvorbu excitónov vo vrstve WS2 s následnou radiačnou (žiarivou) rekombináciou elektrón-diera.
Na rozdiel od svetelných žiaričov založených na pn prechodoch, ktoré na svoju činnosť vyžadujú doping, EL z tunelových zariadení závisí výlučne od tunelového prúdu, čo zabraňuje optickým stratám a akýmkoľvek zmenám odporu spôsobeným zmenami teploty. Architektúra tunela zároveň umožňuje oveľa väčšiu plochu žiarenia v porovnaní s dichalkogenidovými zariadeniami založenými na pn spojoch.
Изображение 1d demonštruje elektrické charakteristiky hustoty tunelového prúdu (J) ako funkcia predpätia (V) medzi grafénovými elektródami. Prudký nárast prúdu pre kladné aj záporné napätie naznačuje výskyt tunelového prúdu cez štruktúru. Pri optimálnej hrúbke vrstiev hBN (~2 nm) sa pozoruje významný tunelovací prúd a predĺženie životnosti implantovaných nosičov pre radiačnú rekombináciu.
Pred elektroluminiscenčným experimentom bolo zariadenie charakterizované odrazom bieleho svetla s uhlovým rozlíšením na potvrdenie prítomnosti silnej väzby excitónu.
Obrázok č. 2
Na obrázku 2 sú znázornené uhlovo rozlíšené spektrá odrazivosti z aktívnej oblasti zariadenia, ktoré ukazujú správanie proti kríženiu. Fotoluminiscencia (PL) bola tiež pozorovaná s nerezonančnou excitáciou (460 nm), ktorá ukazuje intenzívnu emisiu zo spodnej vetvy polaritónu a slabšiu emisiu z hornej vetvy polaritónu (2b).
Na 2s je znázornená disperzia elektroluminiscencie polaritónu pre vloženie 0.1 μA/μm2. Rabiho rozdelenie a rozladenie rezonátora získané prispôsobením režimov oscilátora (plná a bodkovaná biela čiara) elektroluminiscenčnému experimentu sú ～33 meV a ～-13 meV, v tomto poradí. Rozladenie rezonátora je definované ako δ = Ec − Ex, kde Ex je energia excitónu a Ec je energia fotónu rezonátora s nulovou hybnosťou v rovine. Rozvrh 2d ide o rez pod rôznymi uhlami od elektroluminiscenčnej disperzie. Tu je možné jasne vidieť disperziu horného a spodného polaritónového módu s antikrížením vyskytujúcim sa v zóne excitónovej rezonancie.
Obrázok č. 3
So zvyšujúcim sa tunelovým prúdom sa zvyšuje celková intenzita EL. Slabá EL z polaritónov je pozorovaná blízko prahového posunu (3), zatiaľ čo pri dostatočne veľkom posune nad prah sa polaritónová emisia stáva zreteľnou (3b).
Na obrázku 3s ukazuje polárny graf intenzity EL ako funkciu uhla, zobrazujúci úzky emisný kužeľ ± 15°. Vyžarovací diagram zostáva prakticky nezmenený pre minimálny (zelená krivka) aj maximálny (oranžová krivka) budiaci prúd. Zapnuté 3d integrovaná intenzita je znázornená pre rôzne pohybujúce sa tunelové prúdy, ktorá, ako je možné vidieť z grafu, je celkom lineárna. Preto zvýšenie prúdu na vysoké hodnoty môže viesť k úspešnému rozptylu polaritónov pozdĺž spodnej vetvy a vytvoriť extrémne úzky obrazec žiarenia v dôsledku generovania polaritónov. V tomto experimente to však nebolo možné z dôvodu obmedzenia spojeného s dielektrickým rozpadom hBN tunelovej bariéry.
červené bodky na 3d zobraziť merania iného ukazovateľa - externého kvantová účinnosť*.
Kvantová účinnosť* je pomer počtu fotónov, ktorých absorpcia spôsobila vznik kvázičastíc, k celkovému počtu absorbovaných fotónov.
Pozorovaná kvantová účinnosť je porovnateľná s účinnosťou u iných polaritónových LED (na báze organických materiálov, uhlíkových trubíc atď.). Je potrebné poznamenať, že hrúbka vrstvy vyžarujúcej svetlo v skúmanom zariadení je len 0.7 nm, zatiaľ čo v iných zariadeniach je táto hodnota oveľa vyššia. Vedci sa netaja tým, že index kvantovej účinnosti ich zariadenia nie je najvyšší, dá sa však zvýšiť umiestnením väčšieho počtu monovrstiev do zóny tunela, oddelených tenkými vrstvami hBN.
Výskumníci tiež testovali vplyv rozladenia rezonátora na EL polaritónu vytvorením iného zariadenia, ale so silnejším rozladením (-43 meV).
Obrázok č. 4
Na obrázku 4 EL spektrá sú zobrazené s uhlovým rozlíšením takéhoto zariadenia pri prúdovej hustote 0.2 μA/μm2. Vďaka silnému rozladeniu zariadenie vykazuje výrazný efekt zúženia v EL s emisným maximom vyskytujúcim sa pod veľkým uhlom. To je ďalej potvrdené na obrázku. 4b, kde sa porovnávajú polárne grafy tohto zariadenia s prvým (2s).
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť .
Epilóg
Všetky vyššie uvedené pozorovania a merania teda potvrdzujú prítomnosť polaritónovej elektroluminiscencie v heteroštruktúre vdW zabudovanej do optickej mikrodutiny. Tunelová architektúra skúmaného zariadenia zabezpečuje zavedenie elektrónov/dier a rekombináciu v monovrstve WS2, ktorá slúži ako žiarič svetla. Je dôležité, aby tunelový mechanizmus zariadenia nevyžadoval legovanie komponentov, čo minimalizuje straty a rôzne teplotné zmeny.
Zistilo sa, že EL má vysokú smerovosť v dôsledku disperzie rezonátora. Preto zlepšenie kvalitatívneho faktora rezonátora a vyšší prívod prúdu zlepší účinnosť mikrodutinových LED, ako aj elektricky riadených mikrodutinových polaritónov a fotónových laserov.
Táto práca opäť potvrdila, že dichalkogenidy prechodných kovov majú skutočne jedinečné vlastnosti a veľmi široké možnosti použitia.
Takýto výskum a inovatívne vynálezy môžu vo veľkej miere ovplyvniť vývoj a šírenie technológií prenosu dát prostredníctvom LED diód a samotného svetla. Medzi takéto futuristické technológie patrí Li-Fi, ktoré dokáže poskytnúť výrazne vyššiu rýchlosť ako v súčasnosti dostupné Wi-Fi.
Ďakujem za pozornosť, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný týždeň! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com