Durante muchos años, científicos de todo el mundo han estado haciendo dos cosas: inventar y perfeccionar. Y a veces no está claro cuál de estos es más difícil. Tomemos, por ejemplo, LED ordinarios que nos parecen tan simples y ordinarios que no les prestamos atención. Pero si les agrega algunos excitones, una pizca de polaritones y disulfuro de tungsteno al gusto, los LED ya no serán tan prosaicos. Todos estos términos abstrusos son los nombres de componentes extremadamente inusuales, cuya combinación permitió a los científicos del New York City College crear un nuevo sistema que puede transmitir información extremadamente rápido con la ayuda de la luz. Este desarrollo ayudará a mejorar la tecnología de Li-Fi. ¿Cuáles fueron exactamente los ingredientes de la nueva tecnología utilizada, cuál es la receta de este "plato" y cuál es la eficiencia del nuevo LED exciton-polariton? Esto nos dirá un informe de los científicos. Vamos
Base de estudio
Si todo se simplifica a una palabra, entonces esta tecnología es ligera y todo lo relacionado con ella. En primer lugar, los polaritones que surgen cuando los fotones interactúan con las excitaciones del medio (fonones, excitones, plasmones, magnones, etc.). En segundo lugar, los excitones son excitación electrónica en un dieléctrico, semiconductor o metal que migra a través de un cristal y no está relacionado con la transferencia de carga eléctrica y masa.
Es importante tener en cuenta que estas cuasipartículas son muy aficionadas al frío, es decir. su actividad solo se puede observar a temperaturas extremadamente bajas, lo que limita en gran medida la aplicación práctica. Pero eso fue antes. En este trabajo, los científicos pudieron superar el límite de temperatura y usarlos a temperatura ambiente.
La característica principal de los polaritones es la capacidad de unir fotones entre sí. Los fotones que chocan con los átomos de rubidio ganan masa. En el proceso de colisiones múltiples, los fotones rebotan, pero en casos raros forman pares y trillizos, mientras pierden el componente atómico representado por el átomo de rubidio.
Pero para hacer algo con la luz, debe ser atrapado. Para esto, necesitamos un resonador óptico, que es una colección de elementos reflectantes que forman una onda de luz estacionaria.
En este estudio, las cuasipartículas aún más inusuales desempeñan el papel más importante: los polaritones de excitón, que se forman debido al fuerte acoplamiento de excitones y fotones atrapados en el resonador óptico.
Sin embargo, esto no es suficiente, ya que se necesita una base material, por así decirlo. Y quién mejor que otros jugará este papel si no es dicho metalcogenuro de transición (PDM). Más precisamente, la monocapa WS
2 (disulfuro de tungsteno), que tiene impresionantes energías de unión al excitón, se utilizó como material emisor, que se convirtió en uno de los criterios principales para elegir la base del material.
La combinación de todos los elementos anteriores hizo posible crear un LED polariton controlado eléctricamente que funciona a temperatura ambiente.
Para implementar este dispositivo, la monocapa WS
2 está ubicada entre las barreras del túnel de nitruro de boro hexagonal (hBN) con capas de grafeno que actúan como electrodos.
Resultados de la investigación
WS
2 , siendo un dicholcogenuro de metal de transición, también es un material de Van der Waals (vdW) atómicamente delgado. Esto indica sus propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas únicas.
En combinación con otros materiales vdW, como el grafeno (como conductor) y el nitruro de boro hexagonal (hBN, como aislante), se puede realizar una gran cantidad de dispositivos semiconductores controlados eléctricamente, que incluyen LED. Combinaciones similares de materiales de Van der Waals y polaritones ya se han implementado anteriormente, como afirman abiertamente los investigadores. Sin embargo, en trabajos anteriores, los sistemas resultantes eran complejos e imperfectos, y tampoco revelaban el potencial completo de cada uno de los componentes.
Una de las ideas inspiradas por los predecesores fue el uso de una plataforma de material bidimensional. En este caso, es posible implementar dispositivos con capas de emisión atómicamente delgadas, que pueden integrarse con otros materiales vdW que actúan como contactos (grafeno) y barreras de túnel (hBN). Además, dicha bidimensionalidad hace posible combinar LED de polariton con materiales vdW con propiedades magnéticas inusuales, superconductividad fuerte y / o transferencias topológicas no estándar. Como resultado de tal combinación, puede obtener un tipo de dispositivo completamente nuevo, cuyas propiedades pueden ser muy inusuales. Pero, como dicen los científicos, este es un tema para otro estudio.
Imagen No. 1La imagen
1a muestra un modelo tridimensional de un dispositivo que se asemeja a un pastel de capas. Una capa plateada actúa como el espejo superior del resonador óptico, y un
reflector Bragg distribuido de 12 capas
* actúa como el inferior. En la región activa hay una zona de túnel.
Reflector de Bragg distribuido * : una estructura de varias capas, en la que el índice de refracción del material cambia periódicamente perpendicular a las capas.
La zona del túnel consiste en una heteroestructura vdW que consiste en una monocapa WS
2 (emisor de luz), capas delgadas de hBN en ambos lados de la monocapa (barrera del túnel) y grafeno (electrodos transparentes para la introducción de electrones y agujeros).
Se agregaron
dos capas WS
2 más para aumentar la fuerza total del generador y, por lo tanto, para una división Rabi más pronunciada de los estados de polaritón.
El modo de funcionamiento del resonador se ajusta cambiando el grosor de la capa de PMMA (polimetilmetacrilato, es decir, plexiglás).
La imagen
1b es una instantánea de la heteroestructura vdW en la superficie de un reflector Bragg distribuido. Debido a la alta reflectividad del reflector Bragg distribuido, que es la capa inferior, la zona del túnel en la imagen tiene un contraste de reflexión muy bajo, como resultado de lo cual solo se observa la capa superior gruesa de hBN.
El gráfico
1c es un diagrama de zona de la heteroestructura vdW en la geometría del túnel en el desplazamiento. La electroluminiscencia (EL) se observa por encima del voltaje de umbral cuando el nivel de Fermi del grafeno superior (inferior) se desplaza por encima (debajo) de la banda de conducción (valencia) de WS
2 , permitiendo que el electrón (agujero) se canalice hacia la banda de conducción (valencia) de WS
2 . Esto crea condiciones favorables para la formación de excitones en la capa WS
2 con la posterior recombinación de radiación (orificio radiactivo) de electrones.
A diferencia de los emisores de luz basados en uniones pn, que requieren dopaje, el EL de los dispositivos de túnel depende exclusivamente de la corriente de túnel, lo que evita pérdidas ópticas y cualquier cambio en la resistividad causado por cambios de temperatura. Al mismo tiempo, la arquitectura del túnel permite un área de radiación mucho mayor en comparación con los dispositivos de dicholcogenuro basados en la unión pn.
La figura
1d muestra las características eléctricas de la densidad de corriente del túnel (
J ) en función del voltaje de polarización (
V ) entre los electrodos de grafeno. Un aumento brusco en la corriente para el voltaje positivo y negativo indica la aparición de una corriente de túnel a través de la estructura. Al grosor óptimo de la capa hBN (~ 2 nm), se observa una corriente de túnel significativa y un aumento en la vida útil de los portadores introducidos para la recombinación radiactiva.
Antes del experimento electroluminiscente, el dispositivo se caracterizaba por la reflectividad de la luz blanca con resolución angular para confirmar la presencia de un fuerte acoplamiento de excitones.
Imagen No. 2La imagen
2a muestra espectros de reflexión con una resolución en el ángulo desde la región activa del dispositivo, mostrando el comportamiento que impide la intersección. La fotoluminiscencia (PL) también se observó en la excitación no resonante (460 nm), que mostró radiación intensa desde la rama inferior del polaritón y radiación más débil desde la rama superior del polaritón (
2b ).
2c muestra la dispersión de la electroluminiscencia de polaritón con la introducción de 0.1 μA / μm
2 . La división Rabi y la desafinación del resonador obtenidas ajustando los modos del oscilador (líneas blancas continuas y discontinuas) al experimento electroluminiscente son ～ 33 meV y ～ -13 meV, respectivamente. La desafinación del resonador se define como δ = E
c - E
x , donde E
x es la energía del excitón, y E
c denota la energía fotónica del resonador con momento cero en el plano. El gráfico
2d es un corte en diferentes ángulos de la dispersión electroluminiscente. Aquí, la dispersión de los modos polaritón superior e inferior con anti-intersección que ocurre en la zona de resonancia del excitón es claramente visible.
Imagen No. 3A medida que aumenta la corriente de túnel, aumenta la intensidad EL total. Se observa un EL débil de polaritones cerca del umbral de polarización (
3a ), mientras que a un sesgo suficientemente grande por encima del umbral, la emisión de polaritones se vuelve distinta (
3b ).
La figura
3c muestra un gráfico polar de la intensidad EL en función del ángulo, que representa un cono de emisión estrecho de ± 15 °. El patrón de radiación permanece casi sin cambios tanto para la corriente de excitación mínima (curva verde) como máxima (curva naranja).
3d muestra la intensidad integrada en varias corrientes de túnel en movimiento, que, como se puede ver en el gráfico, es bastante lineal. Por lo tanto, aumentar la corriente a valores altos puede conducir a la dispersión exitosa de polaritones a lo largo de la rama inferior y crear un patrón de radiación extremadamente estrecho debido a la generación de polaritones. Sin embargo, no fue posible lograr esto en este experimento debido a la limitación asociada con la ruptura dieléctrica de la barrera del túnel hBN.
Los puntos rojos en
3d muestran las medidas de otro indicador:
eficiencia cuántica externa
* .
La eficiencia cuántica * es la relación del número de fotones, cuya absorción causó la formación de cuasipartículas, al número total de fotones absorbidos.
La eficiencia cuántica observada es comparable a la de otros LED de polaritones (basados en materiales orgánicos, tubos de carbono, etc.). Vale la pena señalar que en el dispositivo en estudio el grosor de la capa de emisión de luz es de solo 0.7 nm, mientras que para otros dispositivos este valor es mucho mayor. Los científicos no ocultan el hecho de que la eficiencia cuántica de su dispositivo no es la más alta, pero se puede aumentar colocando una mayor cantidad de monocapas dentro de la zona del túnel, separadas por delgadas capas de hBN.
Los investigadores también probaron el efecto del desajuste de la cavidad en el EL polaritón al fabricar otro dispositivo, pero con un desajuste más fuerte (-43 meV).
Imagen No. 4La imagen
4a muestra espectros EL con una resolución angular de dicho dispositivo a una densidad de corriente de 0.2 μA / μm
2 . Debido a la fuerte desafinación, el dispositivo muestra un efecto pronunciado de un cuello de botella en EL con una emisión máxima que se produce en un ángulo grande. Esto se confirma aún más en la imagen
4b , donde los gráficos polares de este dispositivo se comparan con el primero (
2c ).
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el
informe de los científicos .
Epílogo
Por lo tanto, todas las observaciones y mediciones anteriores confirman la presencia de electroluminiscencia de polaritón en la heteroestructura vdW incrustada en el microresonador óptico. La arquitectura del túnel del dispositivo en estudio proporciona la incorporación de electrones / agujeros y la recombinación en la monocapa WS
2 , que sirve como un emisor de luz. Es importante que el mecanismo de túnel del dispositivo no requiera componentes de aleación, lo que minimiza las pérdidas y los diversos cambios asociados con la temperatura.
Se encontró que EL tiene una alta directividad debido a la dispersión del resonador. Por lo tanto, una mejora en el factor de calidad del resonador y un mayor suministro de corriente aumentará la eficiencia de los LED de microresonadores, así como de los polaritones de microresonadores controlados eléctricamente y los láseres de fotones.
Este trabajo confirmó una vez más que los dichoslcogenuros de metales de transición poseen propiedades verdaderamente únicas y una muy amplia gama de aplicaciones.
Dicha investigación e inventos innovadores pueden afectar en gran medida el desarrollo y la difusión de tecnologías de transmisión de datos a través de LED y la luz como tal. Estas tecnologías futuristas incluyen Li-Fi, que puede proporcionar una velocidad significativamente mayor que la Wi-Fi existente.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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