Квантовые точки из дисульфида молибдена наконец-то засветились при комнатной температуре так же ярко, как дисплеи в телевизорах.
В Институте фундаментальных наук собралась совместная исследовательская группа под руководством профессора Пак Кен Дока и заместителя директора Со Йон Дака. Они занимаются материалами на основе углерода и сделали важный шаг в создании источников света. Им удалось создать квантовый источник, который ярко светит прямо при комнатной температуре. Это большой прорыв, потому что раньше сверхтонкие полупроводники, которые в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса, могли эффективно излучать свет только в условиях сильного холода или внутри сложных электронных конструкций.
Исследование опубликовали в авторитетном журнале Science Advances.
Главные действующие лица в этой истории — экситоны. Это такие квазичастицы, которые рождаются, когда электрон встречается с «дыркой». Дырка — это просто пустое место, где мог бы быть электрон, но его нет, и ведет она себя как положительный заряд. В двумерных полупроводниках эти экситоны очень важны, так как они позволяют создавать ультратонкие и очень эффективные оптические приборы. Однако с ними была одна закавыка: при тепле они слишком легко расползаются, и получить яркий свет из одной конкретной точки становится почти невозможно.
Ученые давно обратили внимание на так называемые локализованные экситоны. Представьте, что вы катите мяч по ровному полу и кладете его в миску. На полу он катится куда хочет, а в миске сидит на месте. С экситонами то же самое: если их запереть в крошечном пространстве, они начинают светить стабильнее, и длину волны их света можно контролировать. Это делает их идеальными кандидатами для квантовых источников света.
Но комнатная температура все портит. Тепловая энергия дает экситонам силы вырваться из ловушки. Это как мячик, который может выскочить из неглубокой плошки. А еще внутри материала полно лишних зарядов, которые либо мешают экситонам, либо крадут их энергию, превращая ее в бесполезное тепло, а не в свет. Поэтому обычно эффективность излучения таких пойманных экситонов в двумерных полупроводниках при обычных условиях не дотягивает и до одного процента.
Чтобы решить эту проблему, ученые пошли на хитрость. Они сделали под крошечным слоем дисульфида молибдена — это как раз один из самых известных двумерных полупроводников — специальную ямку размером 500 нанометров. Эта ямка работает как та самая миска на наноуровне: она затягивает экситоны к своему центру и удерживает их в крошечной области. Расчеты показали, что около 98 процентов всех экситонов в этой области скапливаются в центре и переходят в локализованное состояние.
Но и это еще не все. Вторая проблема была в лишних электронах. Когда слой дисульфида молибдена переносили на золотую подложку, между ними естественным образом возникал тонкий водяной слой. Он работал как барьер и мешал зарядам уходить, из-за чего лишние электроны оставались в полупроводнике и портили излучение. Исследователи применили термообработку — прогрев. Вода испарилась, барьер исчез, и лишние электроны свободно перетекли из полупроводника в золото. Материал стал электрически нейтральным, и побочные потери энергии прекратились.
В итоге система заработала как надо. Яркость свечения локализованных экситонов в обычных комнатных условиях выросла в 130 раз по сравнению с тем, что было до прогрева. Если цифрами: квантовый выход в области ямки подскочил с жалких 0,076 процента — это практически ноль — до примерно 10 процентов. А это уже яркий свет, видимый невооруженным глазом в приборах. Такого результата для чистого дисульфида молибдена при комнатной температуре раньше никто не получал.
Используя квантовое ограничение, ученые показали практичный способ получать яркое и стабильное квантовое свечение на больших площадях. Это важно, потому что теперь квантовые излучатели из двумерных материалов могут тягаться по яркости и стабильности с квантовыми точками, которые ставят в современные QLED-дисплеи, но при этом остаются невероятно тонкими. Ученые считают, что если сделать ямки еще меньше и лучше настроить условия подсветки, то можно будет добиться генерации одиночных фотонов при комнатной температуре. Раньше это было фантастикой.
Профессор Пак Кен Док сказал:
Главное достижение нашей работы в том, что нам удалось создать квантовый источник света, который ярко светит даже при комнатной температуре. Мы просто собрали и заперли светящиеся частицы в одной наноразмерной точке. Эта структура может стать основой для самых разных фотонных и квантовых устройств будущего.
Ученые также показали, что излучением можно управлять прямо на ходу и даже возвращать все назад. Они взяли атомно-силовой микроскоп и его иглой стали давить на наноямку с силой в гигапаскали. Под давлением деформация материала менялась, а вместе с ней менялось и поведение экситонов. Интенсивность свечения в прогретых образцах вырастала примерно на 120 процентов. Как только давление убирали — свечение возвращалось к норме. Все процессы полностью обратимы.
Заместитель директора Со Йон Дак отметил:
Самое важное — мы научились точно управлять тем, как рождается и теряется свет в двумерном полупроводнике. Наша технология может стать поворотной точкой на пути к будущим источникам одиночных фотонов, работающим при комнатной температуре.
Особенно здорово, что этот метод легко масштабировать. Многие прежние подходы требовали сложных электрических схем или криогенного холода — это убивало любую практическую пользу. А тут всего-навсего наноструктура и термическая обработка. Технология отлично совмещается с обычными заводскими процессами производства полупроводников. Это открывает дорогу к массовым и интегральным квантовым источникам света для квантовой связи, квантовых вычислений и нано-светодиодов нового поколения.
Помимо квантовых технологий, эту платформу можно использовать и для других задач: высокоэффективные наноразмерные лампочки, перестраиваемые оптоэлектронные устройства и нанофотоника. Главный вывод такой: если одновременно загнать экситоны в пространственную ловушку и избавиться от мешающих зарядов, яркое квантовое свечение можно стабилизировать даже в самой обычной комнате.
Ранее ученые открыли новый способ хранения информации.