O futuro do Li-Fi: polaritons, excitons, fótons e alguns bissulfeto de tungstênio

Por muitos anos, cientistas de todo o mundo vêm fazendo duas coisas - inventando e aperfeiçoando. E, às vezes, não está claro qual disso é mais difícil. Tomemos, por exemplo, LEDs comuns que nos parecem tão simples e comuns que não prestamos atenção a eles. Mas se você adicionar alguns excitons, uma pitada de polaritons e dissulfeto de tungstênio a gosto, os LEDs não serão mais tão prosaicos. Todos esses termos obscuros são nomes de componentes extremamente incomuns, cuja combinação permitiu que cientistas do New York City College criassem um novo sistema que pudesse transmitir informações extremamente rapidamente com a ajuda da luz. Esse desenvolvimento ajudará a melhorar a tecnologia de Li-Fi. Quais foram exatamente os ingredientes da nova tecnologia usada, qual é a receita para esse “prato” e qual é a eficiência do novo LED exciton-polariton? Isso nos dirá um relatório de cientistas. Vamos lá

Base de estudo

Se tudo é simplificado em uma palavra, essa tecnologia é leve e tudo está conectado a ela. Primeiro, os polaritons que surgem quando os fótons interagem com as excitações do meio (fônons, excitons, plasmons, magnons, etc.). Em segundo lugar, os excitons são excitação eletrônica em um dielétrico, semicondutor ou metal, migrando através de um cristal e não relacionados à transferência de carga e massa elétrica.

É importante notar que essas quasipartículas gostam muito de frio, ou seja, sua atividade pode ser observada apenas em temperaturas extremamente baixas, o que limita bastante a aplicação prática. Mas isso foi antes. Neste trabalho, os cientistas foram capazes de superar o limite de temperatura e usá-los em temperatura ambiente.

A principal característica dos polaritons é a capacidade de ligar os fótons entre si. Fótons colidindo com átomos de rubídio ganham massa. No processo de múltiplas colisões, os fótons se separam, mas em casos raros formam pares e trigêmeos, enquanto perdem o componente atômico representado pelo átomo de rubídio.

Mas, para fazer algo com a luz, ela deve ser capturada. Para isso, precisamos de um ressonador óptico, que é uma coleção de elementos refletivos que formam uma onda de luz permanente.

Neste estudo, o papel mais importante é desempenhado por quasipartículas ainda mais incomuns - os polaron do exciton, formados devido ao forte acoplamento de excitons e fótons presos no ressonador óptico.

No entanto, isso não é suficiente, pois é necessária uma base material, por assim dizer. E quem melhor do que outros desempenhará esse papel, senão o dichalcogeneto de metal de transição (PDM). Mais precisamente, a monocamada WS ₂ (dissulfeto de tungstênio), que possui impressionantes energias de ligação ao exciton, foi usada como material emissor, que se tornou um dos principais critérios para a escolha da base do material.

A combinação de todos os elementos acima permitiu criar um LED polariton controlado eletricamente, operando à temperatura ambiente.

Para implementar este dispositivo, a monocamada WS2 está localizada entre barreiras de túnel de nitreto de boro hexagonal fino (hBN) com camadas de grafeno atuando como eletrodos.

Resultados da pesquisa

O WS ₂ , sendo um dichalcogeneto de metal de transição, também é um material Van der Waals atomicamente fino (vdW). Isso indica suas propriedades elétricas, ópticas, mecânicas e térmicas exclusivas.

Em combinação com outros materiais vdW, como grafeno (como condutor) e nitreto de boro hexagonal (hBN, como isolante), pode-se realizar uma série de dispositivos semicondutores controlados eletricamente, que incluem LEDs. Combinações similares de materiais e polaritons de Van der Waals já foram implementadas anteriormente, como afirmam abertamente os pesquisadores. No entanto, em trabalhos anteriores, os sistemas resultantes eram complexos e imperfeitos, e também não revelavam todo o potencial de cada um dos componentes.

Uma das idéias inspiradas pelos antecessores foi o uso de uma plataforma de material bidimensional. Nesse caso, é possível implementar dispositivos com camadas de emissão atomicamente finas, que podem ser integradas a outros materiais vdW que atuam como contatos (grafeno) e barreiras de túneis (hBN). Além disso, essa bidimensionalidade permite combinar LEDs de polariton com materiais vdW com propriedades magnéticas incomuns, forte supercondutividade e / ou transferências topológicas não-padrão. Como resultado dessa combinação, você pode obter um tipo de dispositivo completamente novo, cujas propriedades podem ser muito incomuns. Mas, como dizem os cientistas, esse é um tópico para outro estudo.


Imagem Nº 1

A imagem 1a mostra um modelo tridimensional de um dispositivo que se assemelha a um bolo de camadas. Uma camada de prata atua como o espelho superior do ressonador óptico, e um refletor Bragg distribuído de 12 camadas * atua como o inferior. Na região ativa, há uma zona de túnel.

Refletor Bragg distribuído * - uma estrutura de várias camadas, na qual o índice de refração do material muda periodicamente perpendicularmente às camadas.

A zona do túnel consiste em uma heteroestrutura vdW que consiste em uma monocamada WS ₂ (emissor de luz), camadas finas de hBN em ambos os lados da monocamada (barreira do túnel) e grafeno (eletrodos transparentes para a introdução de elétrons e orifícios).

Mais _duas camadas de WS ₂ foram adicionadas para aumentar a força total do gerador e, portanto, para uma divisão Rabi mais pronunciada dos estados de polariton.

O modo de operação do ressonador é ajustado alterando a espessura da camada de PMMA (polimetilmetacrilato, isto é, plexiglás).

A imagem 1b é um instantâneo da heteroestrutura vdW na superfície de um refletor de Bragg distribuído. Devido à alta refletividade do refletor Bragg distribuído, que é a camada inferior, a zona do túnel na imagem tem um contraste de reflexão muito baixo, como resultado do qual apenas a camada superior de hBN é observada.

O gráfico 1c é um diagrama de zonas da heteroestrutura vdW na geometria do túnel em deslocamento. A eletroluminescência (EL) é observada acima da tensão limiar quando o nível de Fermi do grafeno superior (inferior) é deslocado acima (abaixo) da banda de condução (valência) do WS ₂ , permitindo que o elétron (buraco) entre na banda de condução (valência) do WS ₂ . Isso cria condições favoráveis ​​para a formação de excitons na camada WS ₂ com recombinação subsequente por radiação (radiativa) do orifício de elétrons.

Ao contrário dos emissores de luz baseados em junções pn, que exigem dopagem, o EL dos dispositivos de tunelamento depende apenas da corrente de tunelamento, que evita perdas ópticas e quaisquer alterações na resistividade causadas por mudanças de temperatura. Ao mesmo tempo, a arquitetura do túnel permite uma área de radiação muito maior em comparação aos dispositivos de dichalcogeneto baseados na junção pn.

A Figura 1d mostra as características elétricas da densidade de corrente do túnel ( J ) em função da tensão de polarização ( V ) entre os eletrodos de grafeno. Um aumento acentuado na corrente para tensão positiva e negativa indica o aparecimento de uma corrente de tunelamento através da estrutura. Na espessura ideal da camada hBN (~ 2 nm), são observadas uma corrente de tunelamento significativa e um aumento na vida útil dos transportadores introduzidos para recombinação radiativa.

Antes do experimento eletroluminescente, o dispositivo era caracterizado pela refletividade da luz branca com resolução angular para confirmar a presença de um forte acoplamento de exciton.


Imagem No. 2

A imagem 2a mostra os espectros de reflexão com uma resolução no ângulo da região ativa do dispositivo, mostrando o comportamento que impede a interseção. A fotoluminescência (PL) também foi observada na excitação não ressonante (460 nm), que mostrou intensa radiação do ramo inferior do polariton e radiação mais fraca do ramo superior do polariton ( 2b ).

2c mostra a dispersão da eletroluminescência do polariton com a introdução de 0,1 μA / μm ² . A separação de Rabi e o ressonador obtidos através do ajuste dos modos do oscilador (linhas brancas sólidas e tracejadas) no experimento eletroluminescente são ～ 33 meV e ～ -13 meV, respectivamente. A desafinação do ressonador é definida como δ = E _c - E _x , onde E _x é a energia do exciton, e E _c denota a energia do fóton do ressonador com momento zero no plano. O gráfico 2d é uma fatia em ângulos diferentes da dispersão eletroluminescente. Aqui, a dispersão dos modos de polariton superior e inferior com anti-interseção ocorrendo na zona de ressonância do exciton é claramente visível.


Imagem No. 3

À medida que a corrente de tunelamento aumenta, a intensidade total do EL aumenta. Observa-se um EL fraco dos polaritons próximo ao viés do limiar ( 3a ), enquanto que em um viés suficientemente grande acima do limiar, a emissão de polariton se torna distinta ( 3b ).

A Figura 3c mostra um gráfico polar da intensidade do EL em função do ângulo, representando um cone de emissão estreita de ± 15 °. O padrão de radiação permanece quase inalterado para a corrente de excitação mínima (curva verde) e máxima (curva laranja). 3d mostra a intensidade integrada em várias correntes móveis do túnel, que, como pode ser visto no gráfico, é bastante linear. Portanto, aumentar a corrente para valores altos pode levar à dispersão bem-sucedida de polaritons ao longo do ramo inferior e criar um padrão de radiação extremamente estreito devido à geração de polaritons. No entanto, não foi possível conseguir isso neste experimento devido à limitação associada à quebra dielétrica da barreira do túnel hBN.

Os pontos vermelhos em 3d mostram as medidas de outro indicador - eficiência quântica externa * .

Eficiência quântica * é a razão entre o número de fótons, cuja absorção causou a formação de quasipartículas, e o número total de fótons absorvidos.

A eficiência quântica observada é comparável à de outros LEDs de polariton (baseados em materiais orgânicos, tubos de carbono, etc.). Vale ressaltar que no dispositivo em estudo a espessura da camada emissora de luz é de apenas 0,7 nm, enquanto para outros dispositivos esse valor é muito maior. Os cientistas não escondem o fato de que a eficiência quântica de seu dispositivo não é a mais alta, mas pode ser aumentada colocando um número maior de monocamadas dentro da zona do túnel, separadas por finas camadas de hBN.

Os pesquisadores também testaram o efeito da incompatibilidade de cavidades no polariton EL fabricando outro dispositivo, mas com uma incompatibilidade mais forte (-43 meV).


Imagem No. 4

A imagem 4a mostra os espectros de EL com uma resolução angular desse dispositivo a uma densidade de corrente de 0,2 μA / μm ² . Devido à forte desafinação, o dispositivo mostra um efeito pronunciado de um gargalo no EL, com uma emissão máxima ocorrendo em um ângulo maior. Isso é confirmado ainda na imagem 4b , onde os gráficos polares deste dispositivo são comparados com o primeiro ( 2c ).

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Assim, todas as observações e medições acima confirmam a presença de eletroluminescência de polariton na heteroestrutura vdW incorporada no microrressonador óptico. A arquitetura do túnel do dispositivo em estudo fornece a incorporação de elétrons / orifícios e recombinação na monocamada WS ₂ , que serve como emissor de luz. É importante que o mecanismo de túnel do dispositivo não exija componentes de liga, o que minimiza as perdas e várias alterações associadas à temperatura.

Verificou-se que EL tem uma alta diretividade devido à dispersão do ressonador. Portanto, uma melhoria no fator de qualidade do ressonador e um suprimento de corrente mais alto aumentarão a eficiência dos LEDs do microrressonador, bem como dos polaritons e lasers de fótons controlados eletricamente.

Este trabalho confirmou mais uma vez que os dichalcogenetos de metais de transição possuem propriedades verdadeiramente únicas e uma ampla gama de aplicações.

Tais pesquisas e invenções inovadoras podem afetar muito o desenvolvimento e a disseminação de tecnologias de transmissão de dados por meio de LEDs e luz como tal. Essas tecnologias futuristas incluem o Li-Fi, que pode fornecer uma velocidade significativamente maior do que o Wi-Fi existente.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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