Dolgoletni znanstveniki iz celega sveta delajo na dveh stvareh - izumljajo in izboljšujejo. Včasih ni jasno, kaj je težje. Vzemimo za primer navadne LED diode, ki se nam zdijo tako preproste in običajne, da jim ne posvečamo pozornosti. A če vanje dodamo malo eksitonov, ščepec polaritonov in disulfid volframa po okusu, LED diode ne bodo več tako prozaične. Vsi ti zapleteni izrazi so imena izjemno nenavadnih komponent, katerih kombinacija je omogočila znanstvenikom z Mestnega kolidža v New Yorku, da ustvarijo nov sistem, ki lahko izjemno hitro prenaša informacije s pomočjo svetlobe. Ta razvoj bo pomagal izboljšati tehnologijo Li-Fi. Katere specifične sestavine nove tehnologije so bile uporabne, kakšen je recept te "jed" in kakšna je učinkovitost delovanja novega eksiton-polaritonnega LED? O tem nam bo sporočil poročilo znanstvenikov. Poglejmo.
Osnova istraživanja
Če poenostavimo na eno besedo, je ta tehnologija svetloba in vse, kar je z njo povezano. Prvič, polaritoni, ki nastanejo pri interakciji fotonov z vzburjenji okolice (fononi, eksitoni, plazmoni, magnoni itd.). Drugič, eksitoni - elektronsko vzburjenje v dielektriku, polprevodniku ali kovini, ki migrira po kristalu in ni povezano s prenosom električnega naboja in mase.
Pomembno je omeniti, da ti kvazidelci zelo marajo hladno, torej njihovo aktivnost je mogoče opazovati le pri izjemno nizkih temperaturah, kar močno omejuje praktično uporabo. A to je bilo prej. V tem delu so znanstveniki uspeli premagati temperaturno omejitev in jih uporabiti pri sobnih temperaturah.
Osnovna značilnost polaritonov je sposobnost povezovanja fotonov med seboj. Foton, ki trči z rubidijskimi atomi, pridobi maso. Med procesom večkratnih trkov fotoni odskakujejo drug od drugega, a v redkih primerih oblikujejo pare in triplete, pri tem pa izgubljajo atomsko komponento, predstavljeno z rubidijevim atomom.
A da bi kaj storili s svetlobo, jo je treba uloviti. Za to potrebujemo optični rezonančni sistem, ki predstavlja skupino odbojenih elementov, ki oblikujejo stacionarno svetlobno valovanje.
V tej študiji imajo ključno vlogo še bolj nenavadne kvazidelce — eksiton-polaritoni, ki nastanejo zaradi močne povezanosti eksitonov in fotonov, ujete v optičnem resonatorju.
Vendar to ni dovolj, saj je potrebna materialna osnova, tako rekoč. In kdo bi bolj kot dihalkogenid prehodnih kovin (DPK) odigral to vlogo. Natančneje, za izhodni material je bil uporabljen monosloj WS2 (disulfid volframa), ki ima impresivne energijske vezi eksitonov, kar je bilo eno od glavnih meril za izbiro materialne osnove.
Skupina vseh zgoraj opisanih elementov je omogočila ustvarjanje električno upravljanega polaritonnega svetlobnega dioda, ki deluje pri sobni temperaturi.
Za izvedbo te naprave je monosloj WS2 nameščen med tankimi heksagonalnimi tunelerskimi pregradami iz bora (hBN), pri čemer grafenovi sloji delujejo kot elektrodi.
Rezultati raziskave
WS2, kot dihalkogenid prehodnih kovin, je prav tako atomarno tanek Van-der-Waalsov (vdW) material. To pomeni, da ima edinstvene električne, optične, mehanske in toplotne lastnosti.
V kombinaciji z drugimi vdW materiali, kot je grafen (kot prevodnik) in heksagonalni nitrid bora (hBN, kot izolator), je mogoče uresničiti celo vrsto električno upravljanih polprevodnih naprav, med katerimi so tudi svetlobni diodi. Takšne kombinacije Van-der-Waalsovih materialov in polaritonov so bile že prej uresničene, kot odprto priznavajo raziskovalci. Vendar so bile prejšnje rezultate sisteme zapletene in nepopolne ter niso razkrile celotnega potenciala vsakega od sestavin.
Jedna od ideja koja je inspirisana prethodnicima je primena dvooddimenzionalne materijalne platforme. U tom slučaju mogu se realizovati uređaji sa atomskim emisijskim slojevima, koji mogu biti integrisani sa drugim vdW materijalima koji deluju kao kontakti (grafen) i tunel barijere (hBN). Pored toga, takva dvooddimenzionalnost omogućava kombinovanje polaritonskih LED, kao i vdW materijala sa neobičnim magnetskim svojstvima, jakom supravodljivošću i/ili nestandardnim topološkim prenosi. Rezultat takvog povezivanja može biti potpuno nov tip uređaja čija svojstva mogu biti veoma neobična. Ali, kako kažu naučnici, to je tema za drugo istraživanje.
Obrázok č. 1
Na sliki 1a Prikazana je trodimenzionalna model uređaja koji podseća na slojevitu tortu. Kao gornje ogledalo optičkog rezonatora koristi se sloj srebra, a kao donje — 12-slojni raspodeljeni Braggov reflektor*. U aktivnoj oblasti nalazi se tunel zona.
Raspodeljeni Braggov reflektor* — struktura od nekoliko slojeva, u kojoj se indeks prelamanja materijala periodično menja okomito na slojeve.
Tunel zona se sastoji od vdW heterostrukture koja se sastoji od monoslova WS2 (izvor svetlosti), tankih slojeva hBN sa obe strane monoslova (tunel barijera) i grafena (prozirni elektrodi za unošenje elektrona i rupa).
Dodata su još dva sloja WS2 kako bi se povećala ukupna snaga generatora i, shodno tome, da bi se jasnije ispoljilo splitsanje Rabi polaritonskih stanja.
Način rada rezonatora podešava se promenom debljine sloja PMMA (polimetilmetakrilat, tj. organskog stakla).
Slika 1b To je snimak heterostrukture vdW na površini raspodeljenog Braggovog reflektora. Zbog visoke reflektivnosti raspodeljenog Braggovog reflektora, koji čini donji sloj, tunel zona na snimku ima veoma nizak kontrast refleksije, zbog čega se vidi samo gornji debeli sloj hBN.
Graf 1c predstavlja območje diagrame vdW heterostrukture v geometriji tunela pri premiku. Elektro luminescenca (EL) se opazuje nad pragom napetosti, ko je Fermijeva raven zgornjega (spodnjega) grafena premaknjena nad (pod) območje prevodnosti (valentnosti) WS2, kar omogoča elektronu (luknji), da tunelira v območje prevodnosti (valentnosti) WS2. To ustvarja ugodne pogoje za tvorbo eksitonov v sloju WS2 z nadaljnjo radiacijsko (sevalno) rekombinacijo elektron-luknja.
V nasprotju s svetlečimi napravami na osnovi p-n-prehodov, za katere je potrebno legiranje, EL iz tunelnih naprav izključno temelji na tunelnem toku, kar omogoča izogibanje optičnim izgub in kakršnim koli spremembam specifične upornosti, ki jih povzroča sprememba temperature. Hkrati tunelna arhitektura omogoča veliko večje območje sevanja v primerjavi z dihalcogenidnimi napravami na osnovi p-n-prehodov.
Slika 1d demonstrira električne značilnosti gostote tunelnega toka (J) kot funkcije napetosti premika (V) med grafenovimi elektrodami. Ostra rast toka tako pri pozitivni kot negativni napetosti nakazuje na pojav tunelnega toka skozi strukturo. Pri optimalni debelini plasti hBN (~2 nm) se opazuje znaten tunelni tok in povečanje življenjske dobe vbrizganih nosilcev za sevalno rekombinacijo.
Pred izvedbo elektroluminescentnega eksperimenta je bila izvedena karakterizacija naprave glede refleksij belih svetlob z angularno resolucijo za potrditev prisotnosti močne povezanosti eksitonov.
Slika št. 2
Na sliki 2a so prikazani spektri refleksije z resolucijo po kotu iz aktivne regije naprave, ki prikazujejo obnašanje, ki preprečuje prečkanje. Prav tako je bila opazovana fotoluminescenca (FL) pri nerezonantnem vzbujanju (460 nm), ki je pokazala intenzivno sevanje iz spodnje veje polaritona in šibkejše sevanje iz zgornje veje polaritona (2b).
Na 2s Prikazana je disperzija elektroluminescencije polaritona pri uvođenju 0.1 μA/mk². Rabi-podeljenje i razdvajanje rezonatora, dobijeni podešavanjem modova oscilatora (puna i isprekidana bela linija) na eksperiment elektroluminescencije, iznose oko 33 meV i oko -13 meV, redom. Razdvajanje rezonatora definiše se kao δ = Ec − Ex, gde je Ex energija eksitona, dok Ec označava energiju fotona rezonatora sa nulom impulsom u ravni. Grafikon 2d je presečak pod različitim uglovima od elektroluminescentne disperzije. Ovde se dobro može videti disperzija gornjih i donjih polaritonskih moda s antipresekom, koji se dešava u zoni eksitonskog rezonansa.
Slika št. 3
Kako se povećava tunelni struja, ukupna intenzitet EL raste. Slaba EL od polaritona primećuje se u blizini praga pomeranja (3a), dok, pri dovoljno velikom pomeranju iznad praga, polaritonska emisija postaje izražena (3b).
Na sliki 3s prikazan je polarni grafikon intenziteta EL kao funkcije ugla, prikazujući uski konus emisije ± 15°. Dijagram zračenja ostaje gotovo nepromenjen i za minimalnu (zelena kriva) i za maksimalnu (narandžasta kriva) struju uzbuđenja. Na 3d prikazana je integrisana intenzitet pri različitim pokretnim tunelskim strujama, koja, kao što se može videti iz grafika, dovoljno linearno. Stoga, povećanje struje do visokih vrednosti može dovesti do uspešnog raspršenja polaritona duž donje grane i stvoriti izuzetno usku dijagram zračenja zbog generacije polaritona. Međutim, u ovom eksperimentu to nije bilo moguće postići zbog ograničenja vezanog za dielektrični probijanje tunelske barijere hBN.
Crvene tačke na 3d pokazuju merenja još jednog pokazatelja — spoljne kvantne efikasnosti*.
Kvantna efikasnost* — odnos broja fotona, čije je apsorbovanje izazvalo formiranje kvazipartikala, prema ukupnom broju apsorbovanih fotona.
Opazovana kvantna učinkovitost je primerljiva s tisto pri drugih polaritonskih LED diodah (na osnovi organskih materialov, ogljikovih cevi itd.). Pri tem je vredno omeniti, da debelina svetlobno-emitting plasti v preučevanem napravi znaša le 0,7 nm, medtem ko je pri drugih napravah ta vrednost bistveno višja. Znanstveniki ne skrivajo, da kazalnik kvantne učinkovitosti njihove naprave ni najvišji, vendar ga je mogoče povečati z razporeditvijo več monoplastov znotraj tunelske cone, ločenih s tankimi plastmi hBN.
Raziskovalci so prav tako preverili vpliv motnje resonatorja na EL polaritona, izdelali so še eno napravo, vendar z močnejšo motnjo (- 43 meV).
Slika št. 4
Na sliki 4а Prikazani so spektri EL z angularno ločljivostjo te naprave pri gostoti toka 0,2 µA/mk2. Zaradi močne motnje naprava prikazuje izrazit učinek stekleničnega vratu v EL s maksimalno emisijo, ki se pojavlja pod velikim kotom. To dodatno potrjuje slika 4b, kjer so prikazani polarni grafi te naprave v primerjavi s prvo (2s).
Za podrobnejše spoznavanje podrobnosti raziskave priporočam, da si ogledate .
Epilog
Tako vse zgoraj opisane opazovanja in meritve potrjujejo prisotnost polaritonske elektroluminiscence v vdW heterostrukturi, vgrajeni v optični mikrorezonator. Tunelska arhitektura preučevane naprave omogoča vgradnjo elektronov/izvlekov in rekombinacijo v monoplastu WS2, ki deluje kot svetlobni emitter. Pomembno je, da tunelski mehanizem naprave ne zahteva dopinga komponent, kar minimizira izgube in različne spremembe, povezane s temperaturo.
Ugotovljeno je bilo, da ima EL visoko usmerjenost zaradi disperzije resonatorja. Zato bo izboljšanje kvalitete resonatorja in višja napetost prispevala k povečanju učinkovitosti mikrorezonatorskih LED diod ter električno vodljivih mikrorezonatorskih polaritonov in fotonskih laserjev.
Ta delo je še enkrat potrdilo, da imajo dikhalkogenidi prehodnih kovin resnično edinstvene lastnosti in zelo širok spekter uporabe.
Tovrstne raziskave in inovativne iznajdbe lahko močno vplivajo na razvoj in širitev tehnologij prenosa podatkov prek svetlobnih diod in svetlobe kot take. Med te futuristične tehnologije spada Li-Fi, ki lahko zagotovi znatno večjo hitrost, kot jo ima trenutno Wi-Fi.
Thank you for your attention, stay curious, and have a great work week, everyone! 🙂
Thank you for staying with us. Do you enjoy our articles? Want to see more interesting materials? Support us by placing an order or recommending us to your acquaintances. 30% discount for Habra users on our unique entry-level server alternative designed for you: (options available with RAID1 and RAID10, up to 24 cores and up to 40GB DDR4).
Dell R730xd at half the price? Only with us in the Netherlands! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — from $99! Read about how
Izvor: habr.com
