I många år har forskare från hela världen gjort två saker - uppfinna och förbättra. Och ibland är det inte klart vilken av dessa som är svårast. Ta till exempel vanliga lysdioder, som verkar så enkla och vanliga för oss att vi inte uppmärksammar dem. Men om du lägger till några excitoner, en nypa polaritoner och volframdisulfid efter smak, kommer lysdioderna inte längre att vara så prosaiska. Alla dessa absurda termer är namnen på extremt ovanliga komponenter, vars kombination gjorde det möjligt för forskare från City College i New York att skapa ett nytt system som kan överföra information extremt snabbt med hjälp av ljus. Denna utveckling kommer att bidra till att förbättra Li-Fi-tekniken. Exakt vilka var ingredienserna i den nya tekniken som användes, vad är receptet för denna "rätt" och vad är effektiviteten hos den nya exciton-polariton LED? Forskarnas rapport kommer att berätta om detta. Gå.
Forskningsunderlag
Om allt förenklas till ett ord, är denna teknik lätt och allt som är kopplat till det. Först polaritoner, som uppstår när fotoner interagerar med medelstora excitationer (fononer, excitoner, plasmoner, magnoner, etc.). För det andra är excitoner elektronisk excitation i ett dielektrikum, halvledare eller metall, som migrerar genom kristallen och inte är förknippat med överföringen av elektrisk laddning och massa.
Det är viktigt att notera att dessa kvasipartiklar är mycket förtjusta i kyla; deras aktivitet kan observeras endast vid extremt låga temperaturer, vilket allvarligt begränsar deras praktiska tillämpning. Men det var förr. I detta arbete kunde forskare övervinna temperaturbegränsningen och använda dem vid rumstemperatur.
Huvuddragen hos polaritoner är förmågan att binda fotoner till varandra. Fotoner som kolliderar med rubidiumatomer får massa. I processen med flera kollisioner studsar fotoner av varandra, men i sällsynta fall bildar de par och tripletter, samtidigt som de förlorar den atomära komponenten som representeras av rubidiumatomen.
Men för att kunna göra något med ljuset måste det fångas upp. För detta behövs en optisk resonator, som är en kombination av reflekterande element som bildar en stående ljusvåg.
I denna studie spelar ännu mer ovanliga kvasipartiklar, exciton-polaritoner, som bildas på grund av den starka kopplingen av excitoner och fotoner fångade i en optisk kavitet, en avgörande roll.
Det räcker dock inte, eftersom det krävs en materiell grund så att säga. Och vem, om inte övergångsmetalldikalkogenid (TDM), kommer att spela denna roll bättre än andra. För att vara mer exakt användes ett monolager av WS2 (volframdisulfid) som ett emitterande material, som har imponerande excitonbindande energier, vilket blev ett av huvudkriterierna för att välja en materialbas.
Kombinationen av alla ovan beskrivna element gjorde det möjligt att skapa en elektriskt styrd polariton-LED som arbetar vid rumstemperatur.
För att implementera denna enhet är WS2-monoskiktet placerat mellan tunna hexagonala bornitrid (hBN) tunnelbarriärer med grafenlager som fungerar som elektroder.
Forskningsresultat
WS2, som är en övergångsmetalldikalkogenid, är också ett atomärt tunt van der Waals (vdW) material. Detta indikerar dess unika elektriska, optiska, mekaniska och termiska egenskaper.
I kombination med andra vdW-material, såsom grafen (som en ledare) och hexagonal bornitrid (hBN, som en isolator), kan en hel mängd elektriskt styrda halvledarenheter, som inkluderar lysdioder, realiseras. Liknande kombinationer av van der Waals-material och polaritoner har redan realiserats tidigare, som forskarna uppriktigt konstaterar. Men i tidigare skrifter var de resulterande systemen komplexa och ofullkomliga och avslöjade inte den fulla potentialen hos var och en av komponenterna.
En av idéerna som inspirerades av föregångarna var användningen av en tvådimensionell materialplattform. I detta fall är det möjligt att implementera enheter med atomärt tunna emissionsskikt som kan integreras med andra vdW-material som fungerar som kontakter (grafen) och tunnlingsbarriärer (hBN). Dessutom gör denna tvådimensionalitet det möjligt att kombinera polariton-lysdioder med vdW-material med ovanliga magnetiska egenskaper, stark supraledning och/eller icke-standardiserade topologiska överföringar. Som ett resultat av en sådan kombination kan du få en helt ny typ av enhet, vars egenskaper kan vara mycket ovanliga. Men, som forskare säger, är detta ett ämne för en annan studie.
Bild #1
På bilden 1a visar en tredimensionell modell av en anordning som liknar en lagerkaka. Den övre spegeln på den optiska resonatorn är ett silverskikt och den nedre är ett 12-lagers fördelat Bragg reflektor*. Det finns en tunnelzon i den aktiva regionen.
Distribuerad Bragg-reflektor* - en struktur av flera lager, där materialets brytningsindex periodiskt ändras vinkelrätt mot lagren.
Tunnelzonen består av en vdW-heterostruktur bestående av ett WS2-monoskikt (ljussändare), tunna hBN-skikt på båda sidor av monoskiktet (tunnelbarriär) och grafen (transparenta elektroder för införande av elektroner och hål).
Ytterligare två WS2-lager lades till för att öka oscillatorns totala styrka och därmed få en mer uttalad Rabi-delning av polaritontillstånden.
Resonatorns driftläge ställs in genom att ändra tjockleken på PMMA-skiktet (polymetylmetakrylat, d.v.s. plexiglas).
bild 1b detta är en ögonblicksbild av en vdW-heterostruktur på ytan av en distribuerad Bragg-reflektor. På grund av den höga reflektiviteten hos den distribuerade Bragg-reflektorn, som är bottenskiktet, har tunnelzonen i bilden en mycket låg reflektionskontrast, vilket gör att endast det övre tjocka lagret av hBN observeras.
Tidtabell 1s representerar zondiagrammet för vdW-heterostrukturen i tunnelgeometrin under förskjutning. Elektroluminescens (EL) observeras över tröskelspänningen när Fermi-nivån för den övre (nedre) grafenen skiftas över (under) WS2-ledningsbandet (valens), vilket gör att en elektron (hål) kan tunneleras in i WS2-ledningen (valens) band. Detta skapar gynnsamma förhållanden för bildandet av excitoner i WS2-skiktet följt av strålande (strålande) elektron-hål-rekombination.
Till skillnad från ljussändare baserade på pn-övergångar, som kräver dopning för att fungera, beror EL från tunnelanordningar enbart på tunnelströmmen, vilket undviker optiska förluster och eventuella förändringar i resistivitet orsakade av temperaturförändringar. Samtidigt tillåter tunnelarkitekturen en mycket större strålningsarea jämfört med dikalkogenidenheter baserade på pn-övergångar.
bild 1d demonstrerar de elektriska egenskaperna hos tunnelströmtätheten (J) som en funktion av förspänning (V) mellan grafenelektroder. En kraftig ökning av strömmen för både positiv och negativ spänning indikerar förekomsten av en tunnelström genom strukturen. Vid optimal tjocklek av hBN-skikt (~2 nm) observeras en betydande tunnelström och en ökning av livslängden för implanterade bärare för strålningsrekombination.
Före elektroluminescensexperimentet kännetecknades enheten av vitt ljusreflektivitet med vinkelupplösning för att bekräfta närvaron av stark excitonbindning.
Bild #2
På bilden 2a vinkelupplösta reflektansspektra från enhetens aktiva region visas, som visar anti-korsningsbeteende. Fotoluminescens (PL) observerades också med icke-resonant excitation (460 nm), vilket visade intensiv emission från den nedre grenen av polaritonen och svagare emission från den övre grenen av polaritonen (2b).
På 2s spridningen av elektroluminescensen för en polariton visas för en insättning av 0.1 μA/μm2. Rabi-delningen och resonatoravstämningen som erhålls genom att anpassa oscillatorlägena (heldragen och prickad vit linje) till elektroluminescensexperimentet är ～33 meV respektive ～-13 meV. Resonatoravstämningen definieras som δ = Ec − Ex, där Ex är excitonenergin och Ec är resonatorfotonenergin med noll rörelsemängd i planet. Schema 2d det är ett snitt i olika vinklar från den elektroluminescerande dispersionen. Här kan man tydligt se spridningen av de övre och nedre polaritonlägena med antikorsning som förekommer i excitonresonanszonen.
Bild #3
När tunnelströmmen ökar, ökar den totala EL-intensiteten. Svag EL från polaritoner observeras nära tröskelförspänningen (3a), medan vid en tillräckligt stor förskjutning över tröskeln, blir polaritonemission distinkt (3b).
På bilden 3s visar en polär graf av EL-intensiteten som funktion av vinkeln, som visar en smal emissionskon på ± 15°. Strålningsmönstret förblir praktiskt taget oförändrat för både minimal (grön kurva) och maximal (orange kurva) excitationsström. På 3d den integrerade intensiteten visas för olika rörliga tunnelströmmar, vilket, som framgår av grafen, är ganska linjärt. Därför kan en ökning av strömmen till höga värden leda till framgångsrik spridning av polaritoner längs den nedre grenen och skapa ett extremt smalt strålningsmönster på grund av genereringen av polaritoner. Men i detta experiment var detta inte möjligt på grund av begränsningen förknippad med den dielektriska nedbrytningen av hBN-tunnelbarriären.
röda prickar på 3d visa mätningar av en annan indikator - extern kvanteffektivitet*.
Kvanteffektivitet* är förhållandet mellan antalet fotoner vars absorption orsakade bildandet av kvasipartiklar och det totala antalet absorberade fotoner.
Den observerade kvanteffektiviteten är jämförbar med den i andra polariton-lysdioder (baserade på organiska material, kolrör, etc.). Det bör noteras att tjockleken på det ljusemitterande lagret i enheten som studeras endast är 0.7 nm, medan detta värde i andra enheter är mycket högre. Forskare döljer inte det faktum att kvanteffektivitetsindexet för deras enhet inte är det högsta, men det kan ökas genom att placera ett större antal monolager inuti tunnelzonen, åtskilda av tunna lager av hBN.
Forskarna testade också inverkan av resonatoravstämningen på polaritonens EL genom att göra en annan enhet, men med en starkare avstämning (-43 meV).
Bild #4
På bilden 4a EL-spektra visas med en vinkelupplösning för en sådan enhet vid en strömtäthet på 0.2 μA/μm2. På grund av den kraftiga avstämningen uppvisar enheten en uttalad flaskhalseffekt i EL med ett emissionsmaximum som inträffar i en stor vinkel. Detta bekräftas ytterligare i bilden. 4b, där den här enhetens polära diagram jämförs med den första (2s).
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på .
Epilog
Således bekräftar alla observationer och mätningar som beskrivs ovan närvaron av polaritonelektroluminescens i en vdW-heterostruktur inbäddad i en optisk mikrokavitet. Tunnelarkitekturen för enheten som studeras säkerställer införandet av elektroner/hål och rekombination i WS2-monoskiktet, som fungerar som ljussändare. Det är viktigt att enhetens tunnelmekanism inte kräver legering av komponenter, vilket minimerar förluster och olika temperaturrelaterade förändringar.
Det visade sig att EL har en hög riktverkan på grund av spridningen av resonatorn. En förbättring av resonatorns kvalitetsfaktor och en högre strömförsörjning kommer därför att förbättra effektiviteten hos lysdioder med mikrokaviteter, såväl som elektriskt styrda mikrokavitetspolaritoner och fotonlasrar.
Detta arbete bekräftade än en gång att dikalkogenider av övergångsmetall har verkligt unika egenskaper och ett mycket brett användningsområde.
Sådan forskning och innovativa uppfinningar kan i hög grad påverka utvecklingen och spridningen av dataöverföringsteknologier genom lysdioder och själva ljuset. Sådana futuristiska teknologier inkluderar Li-Fi, som kan ge betydligt högre hastigheter än för närvarande tillgängligt Wi-Fi.
Tack för din uppmärksamhet, var nyfiken och ha en bra vecka alla! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com