Протягом багатьох років вчені з усього світу займаються двома речами – винаходять та вдосконалюють. І часом незрозуміло, що із цього складніше. Взяти, наприклад, прості світлодіоди, які здаються нам настільки простими і звичайними, що ми й не звертаємо на них увагу. Але якщо в них додати трохи екситонів, дрібку поляритонів і дисульфід вольфраму до смаку, світлодіоди вже не будуть настільки прозаїчними. Всі ці хитромудрі терміни є назвами вкрай незвичайних компонентів, сукупність яких дозволила вченим із Міського коледжу Нью-Йорка створити нову систему, здатну вкрай швидко передавати інформацію за допомогою світла. Дана технологія допоможе вдосконалити технологію Li-Fi. Які саме інгредієнти нової технології були використані, який рецепт цієї страви і яка ефективність роботи нового екситон-поляритонного світлодіода? Про це нам розповість доповідь вчених. Поїхали.
Основа дослідження
Якщо все спростити до одного слова, то дана розробка це світло і все, що з ним пов'язано. По-перше, поляритони, що виникають при взаємодії фотонів із збудженнями середовища (фононами, екситонами, плазмонами, магнонами тощо). По-друге, ексітони — електронне збудження в діелектриці, напівпровіднику або металі, що мігрує кристалом і не пов'язане з перенесенням електричного заряду і маси.
Ці квазичастинки дуже люблять холод, тобто. спостерігати їхню активність можна лише за вкрай низьких температур, що дуже обмежує практичне застосування. Але це було раніше. У цій праці вчені змогли подолати температурне обмеження та використовувати їх за кімнатних температур.
Основною особливістю поляритонів є можливість пов'язувати фотони між собою. Фотони, що стикаються з атомами рубідії, набувають маси. У процесі багаторазових зіткнень фотони відскакують один від одного, але в окремих випадках формують пари і триплети, при цьому втрачаючи атомну складову, представлену атомом рубідії.
Але щоб зробити щось зі світлом, його треба спіймати. Для цього і потрібен оптичний резонатор, який являє собою сукупність елементів, що відображають, що формують стоячу світлову хвилю.
У цьому дослідженні найважливішу роль відіграють ще більш незвичайні квазічастинки — екситон-поляритони, які формуються завдяки сильному зв'язку екситонів і фотонів, упійманих оптичним резонатором.
Однак цього мало, бо потрібна матеріальна основа, так би мовити. І хто як не дихалькогенід перехідних металів (ДПМ) краще за інших зіграє цю роль. Якщо точніше, то в якості випромінюючого матеріалу був використаний моношар WS2 (дисульфіду вольфраму), який має значні енергії зв'язку екситонів, що і стало одним з основних критеріїв для вибору матеріальної основи.
Сукупність всіх описаних вище елементів дозволила створити електрично керований поляритонний світлодіод, що працює при кімнатній температурі.
Для реалізації цього пристрою моношар WS2 розташований між тонкими гексагональними тунельними бар'єрами нітриду бору (hBN) з шарами графену, що виступають в якості електродів.
Результати дослідження
WS2, будучи дихалькогенідом перехідних металів, також є тонким тонким Ван-дер-Ваальсовим (vdW) матеріалом. Це говорить про його унікальні електричні, оптичні, механічні та термічні властивості.
У поєднанні з іншими vdW матеріалами, такими як графен (як провідник) і гексагональний нітрид бору (hBN, як ізолятор), можна реалізувати безліч електрично керованих напівпровідникових пристроїв, до яких і відносяться світлодіоди. Подібні комбінації Ван-дер-Ваальсових матеріалів та поляритонів вже реалізовувалися раніше, як відверто заявляють дослідники. Однак у попередніх працях отримані в результаті системи були складними та недосконалими, а також не розкривали весь потенціал кожної зі складових.
Однією з ідей, натхненням якої послужили попередники, стало застосування двовимірної матеріальної платформи. У такому випадку можна реалізувати пристрої з атомарно-тонкими емісійними шарами, які можуть бути інтегровані з іншими vdW матеріалами, що виступають у ролі контактів (графен) та тунельних бар'єрів (hBN). Крім того, подібна двовимірність дозволяє об'єднати поляритонні світлодіоди з vdW-матеріалами, що мають незвичайні магнітні властивості, сильну надпровідність та/або нестандартні топологічні переноси. В результаті такого об'єднання можна отримати абсолютно новий тип пристрою, властивості якого можуть бути незвичайними. Але, як кажуть вчені, це тема іншого дослідження.
Зображення №1
На зображенні 1а показано тривимірну модель пристрою, що нагадує листковий пиріг. Як верхнє дзеркало оптичного резонатора виступає шар срібла, а нижнього — 12-шаровий розподілений брегговський відбивач*. В активній ділянці розташована тунельна зона.
Розподілений брегівський відбивач* - Структура з декількох шарів, в якій показник заломлення матеріалу періодично змінюється перпендикулярно шарам.
Тунельна зона складається з vdW гетероструктури, що складається з моношару WS2 (випромінювач світла), тонких шарів hBN по обидва боки від моношару (тунельний бар'єр) та графену (прозорі електроди для впровадження електронів та дірок).
Було додано ще два шари WS2 для збільшення загальної сили генератора і, отже, більш вираженого розщеплення Рабі поляритонних станів.
Режим роботи резонатора налаштовується шляхом зміни товщини шару ПММА (поліметілметакрилат, тобто оргскло).
Зображення 1b це знімок гетероструктури vdW на поверхні розподіленого брегівського відбивача. Через високу відбивну здатність розподіленого брегівського відбивача, що є нижнім шаром, тунельна зона на знімку має дуже низький контраст відбиття, внаслідок чого спостерігається тільки верхній товстий шар hBN.
Графік 1с являє собою зону діаграму vdW гетероструктури геометрії тунелю при зміщенні. Електролюмінесценція (ЕЛ) спостерігається вище порогової напруги, коли рівень Фермі верхнього (нижнього) графена зміщений вище (нижче) зони провідності (валентності) WS2, дозволяючи електрону (дірці) тунелювати в зону провідності (валентності) WS2. Це створює сприятливі умови для утворення екситонів у шарі WS2 з наступною радіаційною (випромінювальною) рекомбінацією електрон-дірка.
На відміну від світловипромінювачів на основі pn-переходів, для роботи яких потрібне легування, ЕЛ від тунельних пристроїв залежить виключно від тунельного струму, що дозволяє уникнути оптичних втрат і будь-яких змін питомого опору, що викликаються зміною температури. У той же час тунельна архітектура допускає набагато більшу область випромінювання в порівнянні з дихалькогенідними пристроями на основі pn-переходів.
Зображення 1d демонструє електричні характеристики щільності тунельного струму (J) як функції напруги зміщення (V) між графеновими електродами. Різке зростання струму як позитивного, так негативного напруги свідчить про виникнення тунельного струму через структуру. При оптимальній товщині шарів hBN (2 нм) спостерігається значний тунельний струм і збільшення часу життя впроваджених носіїв для випромінювальної рекомбінації.
Перед проведенням електролюмінесцентного експерименту було проведено характеризування пристрою по здатності білого світла з кутовим дозволом для підтвердження наявності сильного зв'язку екситонів.
Зображення №2
На зображенні 2а показані спектри відображення з роздільною здатністю по куту від активної області пристрою, що демонструють поведінку, що перешкоджає перетину. Також спостерігалася фотолюмінесценція (ФЛ) при нерезонансному збудженні (460 нм), що демонструє інтенсивне випромінювання з нижньої гілки поляритону і слабше випромінювання з верхньої гілки поляритону (2b).
На 2с показано дисперсію електролюмінесценції поляритону при впровадженні 0.1 мкА/мкм2. Розщеплення Рабі та розлад резонатора, отримані за допомогою припасування мод осцилятора (суцільна і пунктирна біла лінія) до електролюмінесцентного експерименту, становлять ~33 меВ і ~-13 меВ відповідно. Розлад резонатора визначається як δ = Ec − Ex, де Ex — енергія ексітону, а Ec позначає енергію фотона резонатора з нульовим імпульсом у площині. Графік 2d це зріз під різними кутами від електролюмінесцентної дисперсії. Тут добре видно дисперсію верхньої та нижньої поляритонних мод з антиперетином, що відбувається в зоні екситонного резонансу.
Зображення №3
У міру збільшення струму тунелювання загальна інтенсивність ЕЛ зростає. Слабка ЕЛ від поляритонів спостерігається поблизу порогового зміщення (3а), у той час як при досить великому зміщенні вище порога поляритонна емісія стає виразною (3b).
На зображенні 3с показаний полярний графік інтенсивності ЕЛ як функції кута, що зображує вузький конус емісії ±15°. Діаграма випромінювання залишається практично незмінною як мінімального (зелена крива), так максимального (помаранчева крива) струму збудження. на 3d показана інтегрована інтенсивність при різних тунельних струмах, що рухаються, яка, як видно з графіка, досить лінійна. Отже, збільшення струму до високих значень може призвести до успішного розсіювання поляритонів уздовж нижньої гілки та створити надзвичайно вузьку діаграму випромінювання через генерацію поляритонів. Однак у цьому експерименті досягти цього не було можливості через обмеження, пов'язане з діелектричним пробоєм тунельного бар'єру hBN.
Червоні точки на 3d показують виміри ще одного показника - зовнішньої квантової ефективності*.
Квантова ефективність* - Відношення числа фотонів, поглинання яких викликало утворення квазічастинок, до загальної кількості поглинених фотонів.
Квантова ефективність, що спостерігається, можна порівняти з такою в інших поляритонових світлодіодах (на базі органічних матеріалів, вуглецевих трубок і т.д.). При цьому варто відзначити, що в досліджуваному пристрої товщина світловипромінюючого шару становить лише 0.7 нм, тоді як у інших пристроїв це значення набагато вище. Вчені не приховують, що показник квантової ефективності їх пристрою не найвищий, але збільшити його можна за рахунок розміщення більшої кількості моношарів усередині тунельної зони, розділених тонкими шарами hBN.
Дослідники також перевірили вплив розладу резонатора на ЕЛ поляритону, виготовивши ще один пристрій, але з сильнішим розладом (- 43 меВ).
Зображення №4
На зображенні 4а показано спектри ЕЛ з кутовим дозволом такого пристрою при щільності струму 0.2 мкА/мкм2. Через сильний розлад пристрій демонструє яскраво виражений ефект пляшкового шийки в ЕЛ з максимумом емісії, що відбувається під великим кутом. Це додатково підтверджується на зображенні 4b, де порівнюються полярні графіки цього пристрою з першим (2с).
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у .
Епілог
Таким чином, всі вищеописані спостереження та вимірювання підтверджують наявність поляритонової електролюмінесценції в гетероструктурі vdW, вбудованої в оптичний мікрорезонатор. Тунельна архітектура досліджуваного пристрою забезпечує використання електронів/дірок і рекомбінацію в моношарі WS2, який служить світловипромінювачем. Важливо, що тунельний механізм пристрою не вимагає легування компонентів, що зводить до мінімуму втрати та різні зміни, пов'язані з температурою.
Було встановлено, що ЕЛ має високу спрямованість завдяки дисперсії резонатора. Отже, покращення добротності резонатора і більш висока подача струму дозволять підвищити ефективність мікрорезонаторних світлодіодів, а також мікрорезонаторних поляритонів, що електрично керуються, і фотонних лазерів.
Ця праця ще раз підтвердила, що дихалькогеніди перехідних металів мають справді унікальні властивості і вельми широкий спектр застосування.
Подібні дослідження та новаторські винаходи можуть сильно вплинути на розвиток та розповсюдження технологій передачі даних за рахунок світлодіодів та світла як такого. До таких футуристичних технологій відноситься Li-Fi, який може забезпечити значно більшу швидкість, ніж наявні Wi-Fi.
Дякую за увагу, залишайтеся цікавими та хорошим всім робочого тижня, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com