多年来，来自世界各地的科学家一直在做两件事——发明和改进。 有时并不清楚其中哪一个更困难。 就拿普通的LED来说，它在我们看来是如此的简单和普通，以至于我们不会去注意它们。 但如果你添加一些激子、少量极化子和二硫化钨来调味，LED 将不再那么平淡无奇。 所有这些深奥的术语都是极其不寻常的组件的名称，这些组件的组合使纽约城市学院的科学家能够创建一个可以利用光极快地传输信息的新系统。 这一发展将有助于改进 Li-Fi 技术。 新技术所使用的成分究竟是什么，这道“菜肴”的配方是什么，以及新型激子极化 LED 的效率是多少？ 科学家的报告将告诉我们这一点。 去。
研究基础
如果一切都简化为一个词，那么这项技术就是轻的，一切都与之相连。 首先，极化激元，当光子与介质激发（声子、激子、等离子体激元、磁振子等）相互作用时产生。 其次，激子是电介质、半导体或金属中的电子激发，穿过晶体迁移，与电荷和质量的转移无关。
值得注意的是，这些准粒子非常喜欢寒冷； 它们的活性只能在极低的温度下才能观察到，这严重限制了它们的实际应用。 但那是以前的事了。 在这项工作中，科学家们能够克服温度限制并在室温下使用它们。
极化激元的主要特征是能够将光子相互结合。 光子与铷原子碰撞获得质量。 在多次碰撞的过程中，光子相互反弹，但在极少数情况下，它们会形成对和三重态，同时失去以铷原子为代表的原子成分。
但为了用光做某事，就必须抓住它。 为此，需要一个光学谐振器，它是形成驻光波的反射元件的组合。
在这项研究中，更不寻常的准粒子——激子极化激元——由于激子和被困在光腔中的光子的强耦合而形成，发挥着至关重要的作用。
然而，这还不够，因为可以说还需要物质基础。 如果不是过渡金属二硫属化物 (TDM)，谁将比其他人更好地发挥这一作用。 更准确地说，单层WS2（二硫化钨）被用作发光材料，它具有令人印象深刻的激子结合能，这成为选择材料基底的主要标准之一。
上述所有元件的组合使得创建在室温下工作的电控极化子 LED 成为可能。
为了实现该器件，WS2 单层位于薄六方氮化硼 (hBN) 隧道势垒之间，石墨烯层充当电极。
研究结果
WS2 是一种过渡金属二硫属化物，也是一种原子薄范德华 (vdW) 材料。 这表明其独特的电学、光学、机械和热性能。
与石墨烯（作为导体）和六方氮化硼（hBN，作为绝缘体）等其他 vdW 材料相结合，可以实现包括 LED 在内的各种电控半导体器件。 正如研究人员坦言，范德华材料和极化激元的类似组合以前已经实现。 然而，在以前的著作中，最终的系统是复杂且不完美的，并且没有揭示每个组件的全部潜力。
受到前人启发的想法之一是使用二维材料平台。 在这种情况下，可以实现具有原子薄发射层的器件，这些发射层可以与充当触点（石墨烯）和隧道势垒（hBN）的其他 vdW 材料集成。 此外，这种二维性使得将极化子 LED 与具有不寻常磁性、强超导性和/或非标准拓扑转移的 vdW 材料相结合成为可能。 通过这种组合，您可以获得一种全新类型的设备，其特性可能非常不寻常。 但是，正如科学家所说，这是另一项研究的主题。
图片#1
在图像上 1а 显示了类似于夹心蛋糕的设备的三维模型。 光学谐振腔的上镜为银层，下镜为12层分布 布拉格反射镜*。 活动区域中有一个隧道区。
分布式布拉格反射器* - 多层结构，其中材料的折射率垂直于层周期性变化。
隧道区由 vdW 异质结构组成，该异质结构由 WS2 单层（发光体）、单层两侧的薄 hBN 层（隧道势垒）和石墨烯（用于引入电子和空穴的透明电极）组成。
添加了另外两个 WS2 层，以增加振荡器的整体强度，从而使极化子态的拉比分裂更加明显。
通过改变 PMMA 层（聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃）的厚度来调整谐振器的工作模式。
Изображение 1b 这是分布式布拉格反射器表面上的 vdW 异质结构的快照。 由于底层分布式布拉格反射器的高反射率，图像中隧道区的反射对比度非常低，因此只能观察到上层厚的六方氮化硼。
时间表 1s 表示位移下隧道几何结构中 vdW 异质结构的区域图。 当上层（下层）石墨烯的费米能级移至 WS2 导带（价态）上方（下方）时，在阈值电压以上观察到电致发光 (EL)，从而允许电子（空穴）隧道进入 WS2 导带（价态）乐队。 这为 WS2 层中激子的形成以及随后的辐射（辐射）电子空穴复合创造了有利的条件。
与需要掺杂才能工作的基于 pn 结的光发射器不同，隧道器件的 EL 仅取决于隧道电流，这避免了光学损耗以及温度变化引起的电阻率变化。 同时，与基于 pn 结的二硫属化物器件相比，隧道结构允许更大的辐射面积。
Изображение 1d 展示了隧道电流密度的电气特性（J）作为偏置电压的函数（V）之间的石墨烯电极。 正电压和负电压电流的急剧增加表明在结构中出现了隧道电流。 在六方氮化硼层的最佳厚度（~2 nm）下，可以观察到显着的隧道电流和用于辐射复合的注入载流子寿命的增加。
在进行电致发光实验之前，通过具有角分辨率的白光反射率对器件进行表征，以确认强激子结合的存在。
图片#2
在图像上 2а 显示了器件有源区域的角度分辨反射光谱，显示了防交叉行为。 在非共振激发（460 nm）下也观察到光致发光（PL），显示极化子下分支的强烈发射和极化子上分支的较弱发射（2b).
上 2s 显示了插入 0.1 μA/μm2 时极化子电致发光的色散。 通过将振荡器模式（实线和白色虚线）拟合到电致发光实验中获得的拉比分裂和谐振器失谐分别为～33 meV和～-13 meV。 谐振器失谐定义为 δ = Ec − Ex，其中 Ex 是激子能量，Ec 是面内动量为零的谐振器光子能量。 日程 2d 它是从电致发光分散体以不同角度切割而成的。 在这里，我们可以清楚地看到上下极化子模式的色散，在激子共振区发生反交叉。
图片#3
随着隧道电流增加，总 EL 强度增加。 在阈值偏置附近观察到来自极化激元的弱 EL（3а），而在高于阈值的足够大的偏移处，极化子发射变得明显（3b).
在图像上 3s 显示了 EL 强度随角度变化的极坐标图，描绘了 ± 15° 的窄发射锥。 对于最小（绿色曲线）和最大（橙色曲线）激励电流，辐射方向图实际上保持不变。 在 3d 显示了各种移动隧道电流的积分强度，从图中可以看出，它是相当线性的。 因此，将电流增加到高值可以导致极化子沿下部分支成功散射，并由于极化子的生成而产生极窄的辐射图。 然而，在该实验中，由于六方氮化硼隧道势垒的介电击穿相关的限制，这是不可能的。
上有红点 3d 显示另一个指标的测量值 - 外部 量子效率*.
量子效率* 是被吸收导致形成准粒子的光子数与吸收的光子总数的比率。
观察到的量子效率与其他极化子 LED（基于有机材料、碳管等）相当。 值得注意的是，所研究的器件中发光层的厚度仅为0.7 nm，而在其他器件中该值要高得多。 科学家们并没有隐瞒这样一个事实，即他们的器件的量子效率指数不是最高的，但可以通过在隧道区内放置更多数量的单层（由六方氮化硼薄层隔开）来提高量子效率指数。
研究人员还通过制造另一种装置来测试谐振器失谐对极化子 EL 的影响，但失谐更强（-43 meV）。
图片#4
在图像上 4а 显示了这种器件在电流密度为 0.2 μA/μm2 时的 EL 光谱的角分辨率。 由于强失谐，该器件在 EL 中表现出明显的瓶颈效应，在大角度处出现发射最大值。 这在图像中得到进一步证实。 4b，该设备的极坐标图与第一个 (2s).
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 .
结语
因此，所有上述观察和测量都证实了嵌入光学微腔的 vdW 异质结构中存在极化子电致发光。 所研究器件的隧道结构确保了电子/空穴的引入以及在充当光发射器的 WS2 单层中的复合。 重要的是，该装置的隧道机构不需要对部件进行合金化，从而最大限度地减少损失和各种与温度相关的变化。
研究发现，由于谐振器的色散，EL 具有高方向性。 因此，提高谐振器的品质因数和更高的电流供应将提高微腔LED以及电控微腔极化激元和光子激光器的效率。
这项工作再次证实了过渡金属二硫属化物具有真正独特的性能和非常广泛的应用。
此类研究和创新发明可以极大地影响通过 LED 和光本身进行数据传输技术的开发和传播。 这些未来技术包括 Li-Fi，它可以提供比当前可用的 Wi-Fi 更快的速度。
感谢您的关注，保持好奇心，祝大家度过愉快的一周！ 🙂
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来源： habr.com