Die Zukunft von Li-Fi: Polaritonen, Exzitonen, Photonen und etwas Wolframdisulfid

Seit vielen Jahren machen Wissenschaftler aus der ganzen Welt zwei Dinge - erfinden und perfektionieren. Und manchmal ist nicht klar, welche davon schwieriger ist. Nehmen wir zum Beispiel gewöhnliche LEDs, die uns so einfach und gewöhnlich erscheinen, dass wir ihnen keine Aufmerksamkeit schenken. Wenn Sie ihnen jedoch ein paar Exzitonen hinzufügen, eine Prise Polaritonen und Wolframdisulfid nach Geschmack, sind die LEDs nicht mehr so ​​prosaisch. All diese abstrusen Begriffe sind die Namen extrem ungewöhnlicher Komponenten, deren Kombination es Wissenschaftlern des New York City College ermöglichte, ein neues System zu schaffen, das mithilfe von Licht extrem schnell Informationen übertragen kann. Diese Entwicklung wird dazu beitragen, die Technologie von Li-Fi zu verbessern. Was genau waren die Zutaten der neuen Technologie, was ist das Rezept für dieses „Gericht“ und wie effizient ist die neue Exciton-Polariton-LED? Dies wird uns einen Bericht von Wissenschaftlern erzählen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wenn alles auf ein Wort vereinfacht ist, dann ist diese Technologie leicht und alles damit verbunden. Erstens Polaritonen, die entstehen, wenn Photonen mit Anregungen des Mediums (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnonen usw.) interagieren. Zweitens sind Exzitonen elektronische Anregungen in einem Dielektrikum, Halbleiter oder Metall, die durch einen Kristall wandern und nicht mit der Übertragung von elektrischer Ladung und Masse zusammenhängen.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Quasiteilchen sehr kalt sind, d.h. Ihre Aktivität kann nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet werden, was die praktische Anwendung stark einschränkt. Aber das war vorher. In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler die Temperaturgrenze überwinden und bei Raumtemperatur anwenden.

Das Hauptmerkmal von Polaritonen ist die Fähigkeit, Photonen aneinander zu binden. Mit Rubidiumatomen kollidierende Photonen gewinnen an Masse. Bei mehreren Kollisionen prallen die Photonen auseinander, bilden jedoch in seltenen Fällen Paare und Tripletts, während sie die durch das Rubidiumatom dargestellte Atomkomponente verlieren.

Aber um etwas mit dem Licht zu tun, muss es gefangen werden. Dazu benötigen wir einen optischen Resonator, bei dem es sich um eine Sammlung reflektierender Elemente handelt, die eine stehende Lichtwelle bilden.

In dieser Studie spielen noch ungewöhnlichere Quasiteilchen - Exzitonenpolaritonen - die wichtigste Rolle, die durch die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen im optischen Resonator entstehen.

Dies reicht jedoch nicht aus, da sozusagen eine materielle Basis benötigt wird. Und wer besser als andere wird diese Rolle spielen, wenn nicht Übergangsmetalldichalkogenid (PDM). Genauer gesagt wurde die Monoschicht WS ₂ (Wolframdisulfid) mit beeindruckenden Exzitonenbindungsenergien als emittierendes Material verwendet, das zu einem der Hauptkriterien für die Auswahl der Materialbasis wurde.

Die Kombination aller oben genannten Elemente ermöglichte es, eine elektrisch gesteuerte Polaritonen-LED zu erzeugen, die bei Raumtemperatur arbeitet.

Um diese Vorrichtung zu implementieren, befindet sich die WS ₂ -Monoschicht zwischen dünnen hexagonalen Bornitrid (hBN) -Tunnelbarrieren, wobei Graphenschichten als Elektroden wirken.

Forschungsergebnisse

WS ₂ ist als Übergangsmetalldichalkogenid ebenfalls ein atomar dünnes Van-der-Waals-Material (vdW). Dies zeigt seine einzigartigen elektrischen, optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.

In Kombination mit anderen vdW-Materialien wie Graphen (als Leiter) und hexagonalem Bornitrid (hBN als Isolator) kann eine ganze Reihe elektrisch gesteuerter Halbleiterbauelemente realisiert werden, die LEDs enthalten. Ähnliche Kombinationen von Van-der-Waals-Materialien und Polaritonen wurden bereits zuvor implementiert, wie die Forscher offen darlegen. In früheren Arbeiten waren die resultierenden Systeme jedoch komplex und unvollständig und zeigten auch nicht das volle Potenzial jeder der Komponenten.

Eine der von den Vorgängern inspirierten Ideen war die Verwendung einer zweidimensionalen Materialplattform. In diesem Fall ist es möglich, Bauelemente mit atomar dünnen Emissionsschichten zu implementieren, die in andere vdW-Materialien integriert werden können, die als Kontakte (Graphen) und Tunnelbarrieren (hBN) fungieren. Darüber hinaus ermöglicht eine solche Zweidimensionalität die Kombination von Polariton-LEDs mit vdW-Materialien mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften, starker Supraleitung und / oder nicht standardmäßigen topologischen Übertragungen. Durch eine solche Kombination erhalten Sie einen völlig neuen Gerätetyp, dessen Eigenschaften sehr ungewöhnlich sein können. Aber wie Wissenschaftler sagen, ist dies ein Thema für eine andere Studie.


Bild Nr. 1

Bild 1a zeigt ein dreidimensionales Modell einer Vorrichtung, die einem Schichtkuchen ähnelt. Eine Silberschicht fungiert als oberer Spiegel des optischen Resonators und ein 12-lagiger verteilter Bragg-Reflektor * als unterer Spiegel. In der aktiven Region gibt es eine Tunnelzone.

Verteilter Bragg-Reflektor * - eine Struktur aus mehreren Schichten, bei der sich der Brechungsindex des Materials periodisch senkrecht zu den Schichten ändert.

Die Tunnelzone besteht aus einer vdW-Heterostruktur, die aus einer Monoschicht WS ₂ (Lichtemitter), dünnen hBN-Schichten auf beiden Seiten der Monoschicht (Tunnelbarriere) und Graphen (transparente Elektroden zum Einbringen von Elektronen und Löchern) besteht.

Zwei weitere WS ₂ -Schichten wurden hinzugefügt, um die Gesamtstärke des Generators und damit eine stärkere Rabi-Aufspaltung der Polaritonenzustände zu erhöhen.

Die Betriebsart des Resonators wird durch Ändern der Dicke der PMMA-Schicht (Polymethylmethacrylat, d. H. Plexiglas) eingestellt.

Bild 1b ist eine Momentaufnahme der vdW-Heterostruktur auf der Oberfläche eines verteilten Bragg-Reflektors. Aufgrund des hohen Reflexionsvermögens des verteilten Bragg-Reflektors, der die untere Schicht darstellt, weist die Tunnelzone im Bild einen sehr geringen Reflexionskontrast auf, wodurch nur die obere dicke hBN-Schicht beobachtet wird.

Grafik 1c ist ein Zonendiagramm der vdW-Heterostruktur in der Tunnelgeometrie bei Versatz. Elektrolumineszenz (EL) wird oberhalb der Schwellenspannung beobachtet, wenn der Fermi-Pegel des oberen (unteren) Graphens über (unter) das Leitungsband (Valenzband) von WS ₂ verschoben wird, wodurch das Elektron (Loch) in das Leitungsband (Valenzband) von WS ₂ tunneln kann. Dies schafft günstige Bedingungen für die Bildung von Exzitonen in der WS ₂ -Schicht mit anschließender Strahlungselektronenlochrekombination.

Im Gegensatz zu Lichtemittern, die auf pn-Übergängen basieren und dotiert werden müssen, hängt die EL von Tunnelbauelementen ausschließlich vom Tunnelstrom ab, wodurch optische Verluste und Änderungen des spezifischen Widerstands aufgrund von Temperaturänderungen vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die Tunnelarchitektur eine viel größere Strahlungsfläche im Vergleich zu Dichalkogenid-Bauelementen auf Basis von pn-Übergängen.

1d zeigt die elektrischen Eigenschaften der Tunnelstromdichte ( J ) als Funktion der Vorspannung ( V ) zwischen Graphenelektroden. Ein starker Anstieg des Stroms sowohl für die positive als auch für die negative Spannung zeigt das Auftreten eines Tunnelstroms durch die Struktur an. Bei der optimalen Schichtdicke hBN (~ 2 nm) werden ein signifikanter Tunnelstrom und eine Verlängerung der Lebensdauer der eingeführten Träger für die Strahlungsrekombination beobachtet.

Vor dem Elektrolumineszenzexperiment wurde die Vorrichtung durch das Reflexionsvermögen von weißem Licht mit Winkelauflösung charakterisiert, um das Vorhandensein einer starken Exzitonen-Kopplung zu bestätigen.


Bild Nr. 2

Bild 2a zeigt Reflexionsspektren mit einer Auflösung im Winkel vom aktiven Bereich der Vorrichtung und zeigt das Verhalten, das den Schnitt verhindert. Photolumineszenz (PL) wurde auch unter nichtresonanter Anregung (460 nm) beobachtet, die intensive Strahlung vom unteren Zweig des Polaritons und schwächere Strahlung vom oberen Zweig des Polaritons zeigte ( 2b ).

2c zeigt die Dispersion der Elektrolumineszenz von Polariton unter Einführung von 0,1 & mgr; A / & mgr; m ² . Die Rabi-Aufteilung und Resonator-Verstimmung, die durch Anpassen der Oszillatormoden (durchgezogene und gestrichelte weiße Linien) an das Elektrolumineszenzexperiment erhalten werden, betragen ～ 33 meV bzw. ～ -13 meV. Die Verstimmung des Resonators ist definiert als δ = E _c - E _x , wobei E _x die Exzitonenergie ist und E _c die Photonenenergie des Resonators mit einem Impuls von Null in der Ebene bezeichnet. Graph 2d ist eine Scheibe in verschiedenen Winkeln von der Elektrolumineszenzdispersion. Hier ist die Dispersion der oberen und unteren Polaritonenmode mit in der Exzitonenresonanzzone auftretender Anti-Schnittmenge deutlich sichtbar.


Bild Nr. 3

Mit zunehmendem Tunnelstrom steigt die gesamte EL-Intensität. Eine schwache EL von Polaritonen wird nahe der Schwellwertvorspannung ( 3a ) beobachtet, während bei einer ausreichend großen Vorspannung über der Schwelle die Polaritonenemission deutlich wird ( 3b ).

3c zeigt einen Polardiagramm der EL-Intensität als Funktion des Winkels, der einen schmalen Emissionskegel von ± 15 ° zeigt. Das Strahlungsmuster bleibt sowohl für den minimalen (grüne Kurve) als auch den maximalen (orange Kurve) Anregungsstrom nahezu unverändert. 3d zeigt die integrierte Intensität bei verschiedenen sich bewegenden Tunnelströmen, die, wie aus dem Diagramm ersichtlich, ziemlich linear ist. Daher kann das Erhöhen des Stroms auf hohe Werte zu einer erfolgreichen Streuung von Polaritonen entlang des unteren Zweigs führen und aufgrund der Erzeugung von Polaritonen ein extrem enges Strahlungsmuster erzeugen. Dies war jedoch in diesem Experiment aufgrund der mit dem dielektrischen Durchbruch der hBN-Tunnelbarriere verbundenen Einschränkung nicht möglich.

Die roten Punkte auf 3d zeigen die Messungen eines anderen Indikators - der externen Quanteneffizienz * .

Die Quanteneffizienz * ist das Verhältnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption die Bildung von Quasiteilchen verursachte, zur Gesamtzahl der absorbierten Photonen.

Die beobachtete Quanteneffizienz ist vergleichbar mit der bei anderen Polariton-LEDs (basierend auf organischen Materialien, Kohlenstoffröhren usw.). Es ist anzumerken, dass in der untersuchten Vorrichtung die Dicke der lichtemittierenden Schicht nur 0,7 nm beträgt, während dieser Wert für andere Vorrichtungen viel höher ist. Wissenschaftler verbergen nicht die Tatsache, dass die Quanteneffizienz ihres Geräts nicht die höchste ist, aber sie kann erhöht werden, indem eine größere Anzahl von Monoschichten innerhalb der Tunnelzone platziert wird, die durch dünne Schichten von hBN getrennt sind.

Die Forscher testeten auch die Auswirkung der Hohlraumfehlanpassung auf die Polaritonen-EL durch Herstellung eines anderen Geräts, jedoch mit einer stärkeren Fehlanpassung (-43 meV).


Bild Nr. 4

Bild 4a zeigt EL-Spektren mit einer Winkelauflösung einer solchen Vorrichtung bei einer Stromdichte von 0,2 μA / μm ² . Aufgrund der starken Verstimmung zeigt das Gerät einen ausgeprägten Effekt eines Engpasses in der EL, wobei eine maximale Emission in einem großen Winkel auftritt. Dies wird weiter in Bild 4b bestätigt, wo die Polardiagramme dieser Vorrichtung mit den ersten ( 2c ) verglichen werden.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Nachwort

Somit bestätigen alle obigen Beobachtungen und Messungen das Vorhandensein von Polaritonenelektrolumineszenz in der in den optischen Mikroresonator eingebetteten vdW-Heterostruktur. Die Tunnelarchitektur des untersuchten Bauelements ermöglicht den Einbau von Elektronen / Löchern und die Rekombination in die WS ₂ -Monoschicht, die als Lichtemitter dient. Es ist wichtig, dass der Tunnelmechanismus der Vorrichtung keine Legierungskomponenten erfordert, wodurch Verluste und verschiedene mit der Temperatur verbundene Änderungen minimiert werden.

Es wurde gefunden, dass EL aufgrund der Dispersion des Resonators eine hohe Richtwirkung aufweist. Daher erhöht eine Verbesserung des Qualitätsfaktors des Resonators und eine höhere Stromversorgung die Effizienz von Mikroresonator-LEDs sowie elektrisch gesteuerten Mikroresonator-Polaritonen und Photonenlasern.

Diese Arbeit bestätigte erneut, dass Übergangsmetalldichalkogenide wirklich einzigartige Eigenschaften und ein sehr breites Anwendungsspektrum besitzen.

Solche Forschungen und innovativen Erfindungen können die Entwicklung und Verbreitung von Datenübertragungstechnologien durch LEDs und Licht als solche stark beeinflussen. Zu diesen futuristischen Technologien gehört Li-Fi, das eine deutlich höhere Geschwindigkeit als vorhandenes Wi-Fi bieten kann.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

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