L'avenir du Li-Fi: polaritons, excitons, photons et certains disulfures de tungstène

Depuis de nombreuses années, des scientifiques du monde entier font deux choses: inventer et perfectionner. Et parfois, on ne sait pas lequel de ces éléments est le plus difficile. Prenons par exemple les LED ordinaires qui nous semblent si simples et ordinaires que nous n'y prêtons pas attention. Mais si vous y ajoutez quelques excitons, une pincée de polaritons et de disulfure de tungstène au goût, les LED ne seront plus aussi prosaïques. Tous ces termes abstrus sont les noms de composants extrêmement inhabituels, dont la combinaison a permis aux scientifiques du New York City College de créer un nouveau système qui peut transmettre des informations extrêmement rapidement à l'aide de la lumière. Ce développement contribuera à améliorer la technologie du Li-Fi. Quels étaient exactement les ingrédients de la nouvelle technologie utilisée, quelle est la recette de ce «plat» et quelle est l'efficacité de la nouvelle LED exciton-polariton? Cela nous dira un rapport de scientifiques. Allons-y.

Base d'étude

Si tout est simplifié en un seul mot, alors cette technologie est légère et tout ce qui y est lié. Premièrement, les polaritons qui surviennent lorsque les photons interagissent avec les excitations du milieu (phonons, excitons, plasmons, magnons, etc.). Deuxièmement, les excitons sont une excitation électronique dans un diélectrique, un semi-conducteur ou un métal, migrant à travers un cristal et non liés au transfert de charge électrique et de masse.

Il est important de noter que ces quasiparticules sont très friandes de froid, c'est-à-dire leur activité ne peut être observée qu'à des températures extrêmement basses, ce qui limite considérablement leur application pratique. Mais c'était avant. Dans ce travail, les scientifiques ont pu dépasser la limite de température et les utiliser à température ambiante.

La principale caractéristique des polaritons est la capacité de lier les photons les uns aux autres. Les photons entrant en collision avec des atomes de rubidium gagnent en masse. Au cours de collisions multiples, les photons rebondissent, mais dans de rares cas forment des paires et des triplets, tout en perdant la composante atomique représentée par l'atome de rubidium.

Mais pour faire quelque chose avec la lumière, il faut l'attraper. Pour cela, nous avons besoin d'un résonateur optique, qui est une collection d'éléments réfléchissants qui forment une onde lumineuse stationnaire.

Dans cette étude, le rôle le plus important est joué par des quasiparticules encore plus inhabituelles - les polaritons d'excitons, qui sont formés en raison du fort couplage des excitons et des photons piégés dans le résonateur optique.

Mais cela ne suffit pas, car une base matérielle est pour ainsi dire nécessaire. Et qui mieux que d'autres jouera ce rôle sinon le dichalcogénure de métal de transition (PDM). Plus précisément, la monocouche WS ₂ (disulfure de tungstène), qui possède d'impressionnantes énergies de liaison aux excitons, a été utilisée comme matériau émetteur, qui est devenu l'un des principaux critères de choix de la base du matériau.

La combinaison de tous les éléments ci-dessus a permis de créer une LED polariton à commande électrique fonctionnant à température ambiante.

Pour mettre en œuvre ce dispositif, la monocouche WS ₂ est située entre de minces barrières tunnel hexagonales en nitrure de bore (hBN) avec des couches de graphène faisant office d'électrodes.

Résultats de recherche

WS ₂ , étant un dichalcogénure de métal de transition, est également un matériau de Van der Waals (vdW) atomiquement mince. Cela indique ses propriétés électriques, optiques, mécaniques et thermiques uniques.

En combinaison avec d'autres matériaux vdW, tels que le graphène (en tant que conducteur) et le nitrure de bore hexagonal (hBN, en tant qu'isolant), une multitude de dispositifs semi-conducteurs à commande électrique peuvent être réalisés, y compris des LED. Des combinaisons similaires de matériaux de Van der Waals et de polaritons ont déjà été mises en œuvre précédemment, comme les chercheurs le déclarent ouvertement. Cependant, dans les travaux précédents, les systèmes résultants étaient complexes et imparfaits, et ne révélaient pas non plus le plein potentiel de chacun des composants.

L'une des idées inspirées par les prédécesseurs était l'utilisation d'une plate-forme matérielle bidimensionnelle. Dans ce cas, il est possible de mettre en œuvre des dispositifs à couches d'émission atomiquement minces, qui peuvent être intégrés à d'autres matériaux vdW agissant comme contacts (graphène) et barrières tunnel (hBN). De plus, une telle bidimensionnalité permet de combiner des LED à polaritons avec des matériaux vdW avec des propriétés magnétiques inhabituelles, une forte supraconductivité et / ou des transferts topologiques non standard. Grâce à une telle combinaison, vous pouvez obtenir un type d'appareil complètement nouveau, dont les propriétés peuvent être très inhabituelles. Mais, comme le disent les scientifiques, c'est un sujet pour une autre étude.


Image n ° 1

L'image 1a montre un modèle tridimensionnel d'un appareil qui ressemble à un gâteau de couches. Une couche d'argent agit comme le miroir supérieur du résonateur optique et un réflecteur Bragg * réparti à 12 couches agit comme le miroir inférieur. Dans la région active, il y a une zone tunnel.

Réflecteur Bragg distribué * - une structure de plusieurs couches, dans laquelle l'indice de réfraction du matériau change périodiquement perpendiculairement aux couches.

La zone tunnel est constituée d'une hétérostructure vdW constituée d'une monocouche WS ₂ (émetteur de lumière), de fines couches de hBN des deux côtés de la monocouche (barrière tunnel) et de graphène (électrodes transparentes pour l'introduction d'électrons et de trous).

Deux autres couches WS ₂ ont été ajoutées pour augmenter la force totale du générateur et, par conséquent, pour une séparation Rabi plus prononcée des états de polaritons.

Le mode de fonctionnement du résonateur est ajusté en modifiant l'épaisseur de la couche de PMMA (polyméthacrylate de méthyle, c'est-à-dire en plexiglas).

L'image 1b est un instantané de l'hétérostructure vdW à la surface d'un réflecteur Bragg distribué. En raison de la réflectivité élevée du réflecteur Bragg distribué, qui est la couche inférieure, la zone tunnel de l'image présente un contraste de réflexion très faible, ce qui fait que seule la couche supérieure de hBN épaisse est observée.

Le graphique 1c est un diagramme de zone de l'hétérostructure vdW dans la géométrie du tunnel à décalage. L'électroluminescence (EL) est observée au-dessus de la tension de seuil lorsque le niveau de Fermi du graphène supérieur (inférieur) est déplacé au-dessus (en dessous) de la bande de conduction (valence) de WS ₂ , permettant à l'électron (trou) de pénétrer dans la bande de conduction (valence) de WS ₂ . Cela crée des conditions favorables à la formation d 'excitons dans la couche WS ₂ avec une recombinaison subséquente de radiations (radiations) électron - trou.

Contrairement aux émetteurs de lumière basés sur des jonctions pn, qui nécessitent un dopage, l'EL des dispositifs de tunnelisation dépend uniquement du courant de tunnelisation, ce qui évite les pertes optiques et tout changement de résistivité causé par les changements de température. Dans le même temps, l'architecture du tunnel permet une zone de rayonnement beaucoup plus grande par rapport aux dispositifs à base de dichalcogénure à jonction pn.

La figure 1d montre les caractéristiques électriques de la densité de courant tunnel ( J ) en fonction de la tension de polarisation ( V ) entre les électrodes de graphène. Une forte augmentation du courant pour la tension positive et négative indique l'apparition d'un courant tunnel à travers la structure. À l'épaisseur optimale de la couche hBN (~ 2 nm), un courant tunnel significatif et une augmentation de la durée de vie des porteurs introduits pour la recombinaison radiative sont observés.

Avant l'expérience électroluminescente, l'appareil était caractérisé par la réflectivité de la lumière blanche avec une résolution angulaire pour confirmer la présence d'un fort couplage exciton.


Image n ° 2

L'image 2a montre des spectres de réflexion avec une résolution dans l'angle de la région active de l'appareil, montrant le comportement qui empêche l'intersection. La photoluminescence (PL) a également été observée sous excitation non résonante (460 nm), qui a montré un rayonnement intense de la branche inférieure du polariton et un rayonnement plus faible de la branche supérieure du polariton ( 2b ).

2c montre la dispersion de l'électroluminescence du polariton avec l'introduction de 0,1 μA / μm ² . Le fractionnement de Rabi et le désaccord du résonateur obtenus en ajustant les modes d'oscillateur (lignes blanches pleines et en pointillés) à l'expérience électroluminescente sont respectivement de ～ 33 meV et ～ -13 meV. Le désaccord du résonateur est défini comme δ = E _c - E _x , où E _x est l'énergie d'exciton, et E _c représente l'énergie photonique du résonateur avec une impulsion nulle dans le plan. Le graphique 2d est une tranche à différents angles de la dispersion électroluminescente. Ici, la dispersion des modes polariton supérieur et inférieur avec anti-intersection se produisant dans la zone de résonance exciton est clairement visible.


Image n ° 3

À mesure que le courant de tunnel augmente, l'intensité EL totale augmente. Un EL faible des polaritons est observé près du biais de seuil ( 3a ), tandis qu'à un biais suffisamment grand au-dessus du seuil, l'émission de polaritons devient distincte ( 3b ).

La figure 3c montre un graphique polaire de l'intensité EL en fonction de l'angle, représentant un cône d'émission étroit de ± 15 °. Le diagramme de rayonnement reste presque inchangé pour le courant d'excitation minimum (courbe verte) et maximum (courbe orange). 3d montre l'intensité intégrée à divers courants de tunnel en mouvement, qui, comme le montre le graphique, est assez linéaire. Par conséquent, l'augmentation du courant à des valeurs élevées peut conduire à la diffusion réussie de polaritons le long de la branche inférieure et créer un diagramme de rayonnement extrêmement étroit en raison de la génération de polaritons. Cependant, il n'a pas été possible d'y parvenir dans cette expérience en raison de la limitation associée au claquage diélectrique de la barrière tunnel hBN.

Les points rouges sur 3d montrent les mesures d'un autre indicateur - l'efficacité quantique externe * .

L'efficacité quantique * est le rapport du nombre de photons, dont l'absorption a provoqué la formation de quasiparticules, au nombre total de photons absorbés.

L'efficacité quantique observée est comparable à celle des autres LED à polaritons (basée sur des matériaux organiques, des tubes de carbone, etc.). Il convient de noter que dans le dispositif à l'étude, l'épaisseur de la couche électroluminescente n'est que de 0,7 nm, tandis que pour d'autres dispositifs, cette valeur est beaucoup plus élevée. Les scientifiques ne cachent pas le fait que l'efficacité quantique de leur appareil n'est pas la plus élevée, mais elle peut être augmentée en plaçant un plus grand nombre de monocouches à l'intérieur de la zone du tunnel, séparées par de fines couches de hBN.

Les chercheurs ont également testé l'effet de l'inadéquation de la cavité sur le polariton EL en fabriquant un autre appareil, mais avec une asymétrie plus forte (-43 meV).


Image n ° 4

L'image 4a montre les spectres EL avec une résolution angulaire d'un tel dispositif à une densité de courant de 0,2 μA / μm ² . En raison du fort désaccord, l'appareil montre un effet prononcé d'un goulot d'étranglement dans EL avec une émission maximale se produisant à un grand angle. Ceci est encore confirmé dans l'image 4b , où les graphiques polaires de cet appareil sont comparés au premier ( 2c ).

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

Ainsi, toutes les observations et mesures ci-dessus confirment la présence d'électroluminescence de polaritons dans l'hétérostructure vdW intégrée dans le microrésonateur optique. L'architecture tunnel du dispositif à l'étude permet l'incorporation d'électrons / trous et la recombinaison dans la monocouche WS ₂ , qui sert d'émetteur de lumière. Il est important que le mécanisme de tunnel du dispositif ne nécessite pas de composants d'alliage, ce qui minimise les pertes et les divers changements associés à la température.

Il a été constaté que EL a une directivité élevée en raison de la dispersion du résonateur. Par conséquent, une amélioration du facteur de qualité du résonateur et une alimentation en courant plus élevée augmenteront l'efficacité des LED de microrésonateur, ainsi que des polaritons de microrésonateur et des lasers à photons à commande électrique.

Ces travaux ont une fois de plus confirmé que les dichalcogénures de métaux de transition possèdent des propriétés vraiment uniques et une très large gamme d'applications.

De telles recherches et inventions innovantes peuvent grandement affecter le développement et la diffusion des technologies de transmission de données grâce aux LED et à la lumière en tant que telles. Ces technologies futuristes incluent le Li-Fi, qui peut fournir une vitesse considérablement plus élevée que le Wi-Fi existant.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

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