Ученые из ИТМО совместно с коллегами из университета POSTECH (Южная Корея) разработали новый тип светоизлучающего элемента — для этого они соединили метаповерхность и двумерный полупроводник. Готовая структура получилась в 1600 раз ярче обычного слоя полупроводника, а еще долговечнее и тоньше аналогов с такими же показателями светимости. Новый материал будет полезен при создании ультратонких дисплеев и других оптических устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Василий Кравцов с соавтором статьи аспирантом ИТМО Артемом Абрамовым. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
При производстве очков дополненной реальности, ультратонких дисплеев для компьютеров, смартфонов, автомобилей и других оптических устройств используют светоизлучающие прозрачные элементы. Обычно для этого применяют органические светодиоды на основе полупроводников и люминофоров (OLED). Однако эти материалы обладают недостатками: имеют низкую прозрачность, а потому плохо пропускают свет, а также со временем могут выгорать и разрушаться. Чтобы повысить прозрачность светоизлучающих элементов, физики стараются уменьшать их толщину. Перспективным материалом для создания тонких и прозрачных светоизлучающих элементов считаются двумерные кристаллические полупроводники — они не только хорошо пропускают свет, но и более долговечны, чем органические аналоги. Однако квантовая эффективность их излучения менее 1% — это в 100 раз меньше, чем требуется для практических применений.
Чтобы повысить площадь и эффективность излучения элементов, ученые ИТМО совместно с исследователями из южнокорейского университета POSTECH объединили монослой двумерного полупроводника MoSe2 с плазмонной золотой метаповерхностью. Последняя представляет собой массив щелевых наноантенн, который поддерживает два типа оптических резонансов — они усиливают друг друга и увеличивают излучение двумерного слоя полупроводника. За счет этого новый тип светоизлучающего элемента получился в 1600 раз ярче обычного полупроводникового монослоя, который не сопряжен с метаповерхностью. При облучении лазером одного микрона площадь излучения элемента составила около 800 квадратных микрометров, то есть примерно 25–30 микрон — это соответствует размеру одного пикселя в современных экранах телевизоров.
Разработанный элемент — сверхтонкий: толщина активного слоя составляет 0,7 нанометра, а толщина всей структуры — порядка 30 нанометров. Ученые считают, что в перспективе ее можно сделать еще меньше.
Оптическое излучение с большой площади за счет взаимодействия однослойного полупроводника с резонансами золотой метаповерхности. Источник: Light: Science & Applications
Новый тип элемента обладает кристаллической структурой, а потому стойко переносит воздействие света и электричества — физики предполагают, что такой элемент практически не будет иметь «срока годности», в то время как срок службы органических светоизлучающих элементов ограничивается несколькими годами.
«Пока готовые экспериментальные образцы мы возбуждали с помощью лазерного излучения, но вскоре хотим добиться излучения, которое активируется электрическим импульсом. Для этого мы работаем над устройством, в котором электрические контакты будут подведены к нашей структуре. Тогда структуру можно будет опробовать на практике в оптоэлектронных устройствах. Кроме того, мы хотим увеличить количество слоев полупроводника и собрать гетероструктуру. Такие светоизлучающие элементы отличаются увеличенным временем жизни возбужденных состояний и обладают новыми степенями свободы, в которых можно хранить оптические состояния. Потенциально это позволит создать сверхкомпактные устройства для одновременного детектирования, обработки и передачи оптической информации», — рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник Нового физтеха Василий Кравцов.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».
Елизавета Кокорина
Журналист
