Дослідники розвинули метод досягнення підвищення на порядок випромінювання світла у такому класі дво-вимірних (2D) матеріалах які називають перехідні метал дихалкогеніди (TMDs). Значне підвищення випромінювання виникає якщо 2D матеріал розміщено над фотонним гіперкристалом, який є штучним оптичним матеріалом вперше запропонованим у 2014 році Євгенієм Е. Нарімановим з університету Purdue, і який є співавтором нового дослідження.

Керівники дослідницької команди Вінод М. Менон є професором фізику у Міському коледжі Міського університету Нью-Йорку (CUNY), ф Й-Хсієн Лі є професором матеріалознавства у національному університеті Цинь-Хуа що у Хінчу, Тайвань. Їхня робота опублікована у останньому Nano Letters (Tal Galfsky et al. "Broadband Enhancement of Spontaneous Emission in Two-Dimensional Semiconductors Using Photonic Hypercrystals.).

В останні роки, 2D матеріали (як наприклад  2D TMDs) привертають до себе значну увагу через те що їх товщина співмірна з розмірами атомів і це призводить до виняткових електричних та оптичних властивостей, що в свою чергу робить їх петенційними кандидатами матеріалів для майбутніх оптоелектронних приладів.

2D TMDs є винятково цікавими через здатність спонтанного випромінювання світла що є наслідком наявності забороненої зони з прямими переходами, яка дає можливість електронам випромінювати фотони. Але зараз запрещенная зона 2D TMDs мають занадто низьку ефективність щоб стати корисними як практичні світло випромінюючи засоби.

У новому дослідження було показано, що фотонні гіперкристалічні субстрати можуть перетворити низькоефективні TMDs на більш потужні джерела світла.

Дослідники створили фотоний гіперкристал зробивши періодичну гратку з отворів, кожний з яких є 100 нанометрів у диаметрі і створивши гіперболічний метаматеріал. Якщо розмістити над фотонним гіперкристалом двовимірні TMDs (такі як шари WS₂ або MoS₂ ) то світлояке випромінює TMDs підсилюється через велику кількість фотонних станів в середині гіперкристалу.

У випадку шарів WS₂ цей зв'язок середню інтенсивність світла у 56 разів більше ніж на стандартному зразку та у сім разів більше ніж у окремо гіперболічному метаматеріалі окремо (без дірок). Також цей дизайн дозволяє сконцентрувати випромінювання у певному напрямку.

 

Зображення у скануючому електронному мікроскопі фотонного гіперкристалу прикріпленого до гіперболічного метаматеріалу (автор: Galfsky et al. ©2016 American Chemical Society)

"Ми змогли поліпшити емісію світла від 2D матеріалу майже на два порядки в порівнянні з загальним емісійним спектром", повідомив Менон сайту Phys.org.

Дослідники відносять це велике покращення оптичного виходу випромінювання на рахунок унікальних властивостей фотонних гіперкристалів, які об'єднують оптичні властивості як фотонних кристалів так і гіперболічних метаматеріалів.

Фотонні кристали складаються з періодичних шарів що дозволяють світлу певних довжин хвиль проходити наскрізь, а інші не пропускають. У запропонованій схемі періодична гратка дірок виконує функції фотонного кристалу, а крок (період) підібраний так щоби пропускати світло з великим значенням імпульсу (high-momentum light).

З іншого боку гіперболічні метаматеріали отримали свою назву від гіперболічної форми спектру розсіяння метаматеріалу. Типові оптичні матеріали мають обмежену форму спектру дисперсії яка по формі сферична або еліптична, що обмежує максимальне значення імпульсу який може мати фотон.

Комбінуючи властивості обох матеріалів фотонні гіперкристали стають потужними випромінювачами світла як і гіперболічні метаматеріали, але у цьому випадку світла є модульованим та легко контролюється його розсіяння так як у фотонних кристалах. Ця комбінація дозволяє досі недосяжний в подібних випадках рівень контролю та підсилення розповсюдження світла.

Дослідники вважають що у майбутньому цей підхід може бути використаний для створення реальних оптоелектронних приладів з 2D TMD матеріалів. Їх наступним кроком буде створення оптично-випромінюючих приладів з електронною накачкою на основі 2D TMDs.

 

Зображення вгорі: ілюстрація фотонного гіперкристалу з 2D матеріалом на ньому (автор: Galfsky et al. ©2016 American Chemical Society  )

За матеріалами сайту : http://phys.org