多年來，來自世界各地的科學家一直在做兩件事——發明和改進。 有時並不清楚其中哪一個更困難。 就拿普通的LED來說，它在我們看來是如此的簡單和普通，以至於我們不會去注意它們。 但如果你添加一些激子、少量極化子和二硫化鎢來調味，LED 將不再那麼平淡無奇。 所有這些深奧的術語都是極其不尋常的組件的名稱，這些組件的組合使紐約城市學院的科學家能夠創建一個可以利用光極其快速地傳輸信息的新系統。 這一發展將有助於改進 Li-Fi 技術。 新技術所使用的成分究竟是什麼，這道“菜餚”的配方是什麼，以及新型激子極化 LED 的效率是多少？ 科學家的報告將告訴我們這一點。 去。
研究基礎
如果一切都簡化為一個詞，那麼這項技術就是輕的，一切都與之相連。 首先，極化激元，當光子與介質激發（聲子、激子、等離子體激元、磁振子等）相互作用時產生。 其次，激子是電介質、半導體或金屬中的電子激發，穿過晶體遷移，與電荷和質量的轉移無關。
值得注意的是，這些準粒子非常喜歡寒冷； 它們的活性只能在極低的溫度下才能觀察到，這嚴重限制了它們的實際應用。 但那是以前的事了。 在這項工作中，科學家們能夠克服溫度限制並在室溫下使用它們。
極化激元的主要特徵是能夠將光子相互結合。 光子與銣原子碰撞獲得質量。 在多次碰撞的過程中，光子相互反彈，但在極少數情況下，它們會形成對和三重態，同時失去以銣原子為代表的原子成分。
但為了用光做某事，就必須抓住它。 為此，需要一個光學諧振器，它是形成駐光波的反射元件的組合。
在這項研究中，更不尋常的準粒子——激子極化激元——由於激子和被困在光腔中的光子的強耦合而形成，發揮著至關重要的作用。
然而，這還不夠，因為可以說還需要物質基礎。 如果不是過渡金屬二硫屬化物 (TDM)，誰將比其他人更好地發揮這一作用。 更準確地說，採用單層WS2（二硫化鎢）作為發光材料，其具有令人印象深刻的激子結合能，這成為選擇材料基礎的主要標準之一。
上述所有元件的組合使得創建在室溫下工作的電控極化子 LED 成為可能。
為了實現該器件，WS2 單層位於薄六方氮化硼 (hBN) 隧道勢壘之間，石墨烯層充當電極。
研究結果
WS2 是一種過渡金屬二硫屬化物，也是一種原子薄范德華 (vdW) 材料。 這表明其獨特的電學、光學、機械和熱性能。
與石墨烯（作為導體）和六方氮化硼（hBN，作為絕緣體）等其他 vdW 材料相結合，可以實現包括 LED 在內的各種電控半導體器件。 正如研究人員坦言，范德華材料和極化激元的類似組合以前已經實現。 然而，在以前的著作中，最終的系統是複雜且不完美的，並且沒有揭示每個組件的全部潛力。
受到前人啟發的想法之一是使用二維材料平台。 在這種情況下，可以實現具有原子薄發射層的器件，這些發射層可以與充當觸點（石墨烯）和隧道勢壘（hBN）的其他 vdW 材料集成。 此外，這種二維性使得將極化子 LED 與具有不尋常磁性、強超導性和/或非標準拓撲轉移的 vdW 材料相結合成為可能。 通過這種組合，您可以獲得一種全新類型的設備，其特性可能非常不尋常。 但是，正如科學家所說，這是另一項研究的主題。
圖片#1
在圖像上 1a 顯示了類似於夾心蛋糕的設備的三維模型。 光學諧振腔的上鏡為銀層，下鏡為12層分佈 布拉格反射鏡*。 活動區域中有一個隧道區。
分佈式布拉格反射器* - 多層結構，其中材料的折射率垂直於層週期性變化。
隧道區由vdW 異質結構組成，該異質結構由WS2 單層（發光體）、單層兩側的薄hBN 層（隧道勢壘）和石墨烯（用於引入電子和空穴的透明電極）組成。
添加了另外兩個 WS2 層，以增加振盪器的整體強度，從而使極化子態的拉比分裂更加明顯。
通過改變 PMMA 層（聚甲基丙烯酸甲酯，即有機玻璃）的厚度來調整諧振器的工作模式。
Изображение 1b 這是分佈式布拉格反射器表面上的 vdW 異質結構的快照。 由於底層分佈式布拉格反射器的高反射率，圖像中隧道區的反射對比度非常低，因此只能觀察到上層厚的六方氮化硼。
時間表 1秒 表示位移下隧道幾何結構中 vdW 異質結構的區域圖。 當上層（下層）石墨烯的費米能級移至WS2 導帶（價態）上方（下方）時，在閾值電壓以上觀察到電致發光(EL)，從而允許電子（空穴）隧道進入WS2導帶（價態）樂隊。 這為 WS2 層中激子的形成以及隨後的輻射（輻射）電子空穴複合創造了有利的條件。
與需要摻雜才能工作的基於 pn 結的光發射器不同，隧道器件的 EL 僅取決於隧道電流，這避免了光學損耗以及溫度變化引起的電阻率變化。 同時，與基於 pn 結的二硫屬化物器件相比，隧道結構允許更大的輻射面積。
Изображение 1d 展示了隧道電流密度的電氣特性（J）作為偏置電壓的函數（V）之間的石墨烯電極。 正電壓和負電壓電流的急劇增加表明在結構中出現了隧道電流。 在六方氮化硼層的最佳厚度（~2 nm）下，可以觀察到顯著的隧道電流和用於輻射複合的注入載流子壽命的增加。
在進行電致發光實驗之前，通過具有角分辨率的白光反射率對器件進行表徵，以確認強激子結合的存在。
圖片#2
在圖像上 2a 顯示了器件有源區域的角度分辨反射光譜，顯示了防交叉行為。 在非共振激發（460 nm）下也觀察到光致發光（PL），顯示極化子下分支的強烈發射和極化子上分支的較弱發射（2b).
上 2秒 顯示了插入 0.1 μA/μm2 時極化子電致發光的色散。 通過將振盪器模式（實線和白色虛線）擬合到電致發光實驗中獲得的拉比分裂和諧振器失諧分別為～33 meV和～-13 meV。 諧振器失諧定義為 δ = Ec − Ex，其中 Ex 是激子能量，Ec 是面內動量為零的諧振器光子能量。 日程 2d 它是從電致發光分散體以不同角度切割而成的。 在這裡，我們可以清楚地看到上下極化子模式的色散，在激子共振區發生反交叉。
圖片#3
隨著隧道電流增加，總 EL 強度增加。 在閾值位移附近觀察到來自極化子的弱 EL（3a），而在高於閾值的足夠大的偏移處，極化子發射變得明顯（3b).
在圖像上 3秒 顯示了 EL 強度隨角度變化的極坐標圖，描繪了 ± 15° 的窄發射錐。 對於最小（綠色曲線）和最大（橙色曲線）激勵電流，輻射方向圖實際上保持不變。 在 3d 顯示了各種移動隧道電流的積分強度，從圖中可以看出，它是相當線性的。 因此，將電流增加到高值可以導致極化子沿下部分支成功散射，並由於極化子的生成而產生極窄的輻射圖。 然而，在該實驗中，由於六方氮化硼隧道勢壘的介電擊穿相關的限制，這是不可能的。
上有紅點 3d 顯示另一個指標的測量值 - 外部 量子效率*.
量子效率* 是被吸收導致形成準粒子的光子數與吸收的光子總數的比率。
觀察到的量子效率與其他極化子 LED（基於有機材料、碳管等）相當。 值得注意的是，所研究的器件中發光層的厚度僅為0.7 nm，而在其他器件中該值要高得多。 科學家們並沒有隱瞞這樣一個事實，即他們的器件的量子效率指數不是最高的，但可以通過在隧道區內放置更多數量的單層（由六方氮化硼薄層隔開）來提高量子效率指數。
研究人員還通過製造另一種裝置來測試諧振器失諧對極化子 EL 的影響，但失諧更強（-43 meV）。
圖片#4
在圖像上 4a 顯示了這種器件在電流密度為 0.2 μA/μm2 時的 EL 光譜的角分辨率。 由於強烈的失諧，該器件在 EL 中表現出明顯的瓶頸效應，在大角度處出現發射最大值。 這在圖像中得到進一步證實。 4b，該設備的極坐標圖與第一個 (2秒).
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 .
尾聲
因此，上述所有觀察和測量都證實了嵌入光學微腔的 vdW 異質結構中存在極化子電致發光。 所研究器件的隧道結構確保了電子/空穴的引入以及在充當光發射器的 WS2 單層中的複合。 重要的是，該裝置的隧道機構不需要對部件進行合金化，從而最大限度地減少損失和各種與溫度相關的變化。
研究發現，由於諧振器的色散，EL 具有高方向性。 因此，提高諧振器的品質因數和更高的電流供應將提高微腔LED以及電控微腔極化激元和光子激光器的效率。
這項工作再次證實了過渡金屬二硫屬化物具有真正獨特的性能和非常廣泛的應用。
此類研究和創新發明可以極大地影響通過 LED 和光本身進行數據傳輸技術的開發和傳播。 這些未來技術包括 Li-Fi，它可以提供比當前可用的 Wi-Fi 更快的速度。
感謝您的關注，保持好奇心，祝大家度過愉快的一周！ 🙂
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來源： www.habr.com