Совместная разработка ученых из ИТМО и университета POSTECH (Южная Корея) привела к созданию нового светоизлучающего элемента, объединяющего метаповерхность и двумерный полупроводник. Полученная структура демонстрирует яркость, превышающую яркость обычного слоя полупроводника в 1600 раз, а также отличается повышенной долговечностью и меньшей толщиной по сравнению с аналогами, обладающими сопоставимой светимостью. Данный материал может найти применение в производстве ультратонких дисплеев и других оптических приборах. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
При изготовлении очков дополненной реальности, ультратонких дисплеев для компьютеров, смартфонов, автомобилей и других оптических устройств используют светоизлучающие прозрачные элементы. Для этих целей чаще всего применяются органические светодиоды, основанные на полупроводниках и люминофорах (OLED). Однако эти материалы имеют ряд ограничений: они характеризуются невысокой прозрачностью, что приводит к ухудшению светопропускания, а также подвержены выгоранию и разрушению со временем. Для улучшения светопропускания светоизлучающих элементов физики стремятся к уменьшению их толщины. Двумерные кристаллические полупроводники рассматриваются как перспективный материал для создания тонких и прозрачных светоизлучающих элементов, поскольку они обладают хорошей светопропускной способностью и отличаются большей долговечностью по сравнению с органическими материалами. Тем не менее, их квантовая эффективность излучения составляет менее 1%, что на 100 раз меньше необходимого для практического использования.
Для увеличения площади излучения и повышения эффективности элементов ученые ИТМО в сотрудничестве с исследователями из южнокорейского университета POSTECH создали структуру, объединяющую монослой двумерного полупроводника MoSe2 с плазмонной золотой метаповерхностью. Эта последняя состоит из массива щелевых наноантенн, которые поддерживают два типа оптических резонансов, взаимодействующих друг с другом для усиления излучения двумерного полупроводникового слоя. Благодаря этому новый тип светоизлучающего элемента демонстрирует яркость, которая в 1600 раз превышает яркость обычного полупроводникового монослоя, не взаимодействующего с метаповерхностью. При лазерной облучении площадь излучения элемента составила около 800 квадратных микрометров, что эквивалентно примерно 25–30 микрометрам — сопоставимо с размером одного пикселя в современных телевизионных экранах.
Созданный элемент отличается сверхтонкостью: активный слой имеет толщину 0,7 нанометра, а вся структура – около 30 нанометров. По мнению исследователей, в будущем ее размеры можно будет уменьшить.
Благодаря кристаллической структуре, новый элемент устойчив к воздействию света и электричества. Физики полагают, что это обеспечит ему практически неограниченный срок службы, в отличие от органических светоизлучающих элементов, срок эксплуатации которых ограничен несколькими годами.
«В настоящее время для активации экспериментальных образцов используется лазерное излучение, однако в дальнейшем планируется добиться активации электрическим импульсом. Для реализации этой цели ведется работа над устройством с электрическими контактами, подведенными к структуре. Это позволит опробовать структуру в оптоэлектронных устройствах. Также планируется увеличить число полупроводниковых слоев и создать гетероструктуру. Светоизлучающие элементы такого типа характеризуются увеличенным временем жизни возбужденных состояний и предоставляют новые степени свободы для хранения оптических состояний. Это потенциально позволит создать сверхкомпактные устройства для одновременного детектирования, обработки и передачи оптической информации» , — по словам одного из авторов исследования, ведущего научного сотрудника Нового физтеха Василий Кравцов.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».
Пресс-служба Университета ИТМО предоставила информацию