Vir baie jare doen wetenskaplikes van regoor die wêreld twee dinge – uitvind en verbeter. En soms is dit nie duidelik wat moeiliker is nie. Neem byvoorbeeld gewone LED's, wat vir ons so eenvoudig en gewoon lyk dat ons nie eers daaraan aandag gee nie. Maar as jy 'n paar excitons, 'n knippie polaritons en wolframdisulfied na smaak byvoeg, sal LED's nie meer so prosaïes wees nie. Al hierdie beknopte terme is die name van uiters ongewone komponente, waarvan die kombinasie wetenskaplikes van die City College van New York in staat gestel het om 'n nuwe stelsel te skep wat inligting uiters vinnig met lig kan oordra. Hierdie ontwikkeling sal help om Li-Fi-tegnologie te verbeter. Watter presiese bestanddele van die nuwe tegnologie is gebruik, wat is die resep vir hierdie "gereg" en wat is die bedryfsdoeltreffendheid van die nuwe exciton-polariton LED? Die verslag van wetenskaplikes sal ons hieroor vertel. Gaan.
Navorsingsbasis
As ons alles tot een woord vereenvoudig, dan is hierdie tegnologie lig en alles wat daarmee verband hou. Eerstens, polaritone, wat ontstaan wanneer fotone in wisselwerking tree met opwekkings van die medium (fonone, eksitone, plasmone, magnone, ens.). Tweedens is opwekkings elektroniese opwekkings in 'n diëlektrikum, halfgeleier of metaal wat deur die kristal migreer en nie geassosieer word met die oordrag van elektriese lading en massa nie.
Dit is belangrik om daarop te let dat hierdie kwasideeltjies baie lief is vir koue, m.a.w. Hul aktiwiteit kan slegs by uiters lae temperature waargeneem word, wat hul praktiese toepassing baie beperk. Maar dit was voorheen. In hierdie werk kon wetenskaplikes die temperatuurbeperking oorkom en dit by kamertemperature gebruik.
Die hoofkenmerk van polaritone is die vermoë om fotone met mekaar te bind. Fotone wat met rubidiumatome bots, verkry massa. In die proses van herhaalde botsings bons die fotone van mekaar af, maar in seldsame gevalle vorm hulle pare en drieling, terwyl hulle die atoomkomponent wat deur die rubidiumatoom verteenwoordig word, verloor.
Maar om iets met lig te doen, moet jy dit vang. Hiervoor is 'n optiese resonator nodig, wat 'n stel reflektiewe elemente is wat 'n staande liggolf vorm.
In hierdie studie word die belangrikste rol gespeel deur selfs meer ongewone kwasideeltjies – eksiton-polaritone, wat gevorm word as gevolg van die sterk koppeling van eksitone en fotone wat in 'n optiese holte vasgevang is.
Dit is egter nie genoeg nie, want 'n materiële basis is so te sê nodig. En wie beter as oorgangsmetaal dikalkogenied (TMD) sal hierdie rol speel? Meer presies, 'n WS2 (wolframdisulfied) monolaag is gebruik as die emitterende materiaal, wat indrukwekkende exciton-bindende energieë het, wat een van die hoofkriteria vir die keuse van die materiaalbasis geword het.
Die kombinasie van al die elemente wat hierbo beskryf is, het dit moontlik gemaak om 'n elektries beheerde polariton LED te skep wat by kamertemperatuur werk.
Om hierdie toestel te verwesenlik, word 'n monolaag van WS2 tussen dun seskantige boornitried (hBN) tonnelversperrings ingeklem met grafeenlae wat as elektrodes optree.
Navorsingsresultate
WS2, synde 'n oorgangsmetaal dikalkogenied, is ook 'n atoomdun van der Waals (vdW) materiaal. Dit spreek van sy unieke elektriese, optiese, meganiese en termiese eienskappe.
In kombinasie met ander vdW-materiale, soos grafeen (as 'n geleier) en seskantige boornitried (hBN, as 'n isolator), kan 'n hele reeks elektries beheerde halfgeleiertoestelle, wat LED's insluit, gerealiseer word. Soortgelyke kombinasies van van der Waals-materiale en polaritone is reeds voorheen gerealiseer, soos die navorsers openlik stel. In vorige werke was die gevolglike stelsels egter kompleks en onvolmaak, en het nie die volle potensiaal van elke komponent geopenbaar nie.
Een van die idees wat deur voorgangers geïnspireer is, was die gebruik van 'n tweedimensionele materiaalplatform. In hierdie geval is dit moontlik om toestelle met atomies dun emissielae te realiseer, wat geïntegreer kan word met ander vdW-materiale wat as kontakte (grafeen) en tonnelversperrings (hBN) optree. Daarbenewens maak sulke tweedimensionaliteit dit moontlik om polariton-LED's te kombineer met vdW-materiale wat ongewone magnetiese eienskappe, sterk supergeleiding en/of nie-standaard topologiese oordragte het. As gevolg van so 'n kombinasie kan 'n heeltemal nuwe tipe toestel verkry word, waarvan die eienskappe redelik ongewoon kan wees. Maar, soos wetenskaplikes sê, dit is 'n onderwerp vir 'n ander studie.
Prent #1
Op die beeld 1a toon 'n driedimensionele model van 'n toestel wat soos 'n laagkoek lyk. Die boonste spieël van die optiese resonator is 'n laag silwer, en die onderste spieël is 'n 12-laag verspreide Bragg weerkaatser*. Die aktiewe streek bevat 'n tonnelsone.
Verspreide Bragg-reflektor* - 'n struktuur van verskeie lae waarin die brekingsindeks van die materiaal periodiek loodreg op die lae verander.
Die tonnelsone bestaan uit 'n vdW-heterostruktuur wat bestaan uit 'n WS2-monolaag (liguitstraler), dun lae hBN aan beide kante van die monolaag (tonnelversperring) en grafeen (deursigtige elektrodes vir die inbring van elektrone en gate).
Nog twee lae WS2 is bygevoeg om die algehele sterkte van die ossillator te verhoog en dus om meer uitgesproke Rabi-splitsing van die polaritontoestande te produseer.
Die werkingsmodus van die resonator word aangepas deur die dikte van die PMMA-laag (polimetielmetakrilaat, d.w.s. pleksiglas) te verander.
Изображение 1b Dit is 'n momentopname van 'n vdW-heterostruktuur op die oppervlak van 'n verspreide Bragg-reflektor. As gevolg van die hoë reflektiwiteit van die verspreide Bragg-reflektor, wat die onderste laag is, het die tonnelsone in die beeld 'n baie lae reflektansiekontras, wat daartoe lei dat slegs die boonste dik hBN-laag waargeneem word.
Bylae 1s is die vdW sonediagram van die heterostruktuur in die tonnelgeometrie onder verplasing. Elektroluminessensie (EL) word bo die drumpelspanning waargeneem wanneer die Fermi-vlak van die boonste (onderste) grafeen bo (onder) die geleiding (valensie) band van WS2 geskuif word, wat 'n elektron (gat) toelaat om in die geleiding (valensie) te tonnel. band van WS2. Dit skep gunstige toestande vir die vorming van eksitone in die WS2-laag met daaropvolgende stralings- (straling) elektron-gat-rekombinasie.
Anders as pn-aansluiting-liguitstralers, wat doping vereis om te werk, hang EL van tonneltoestelle slegs af van die tonnelstroom, wat optiese verliese en enige veranderinge in weerstand wat deur temperatuurveranderinge veroorsaak word, vermy. Terselfdertyd maak die tonnel-argitektuur voorsiening vir 'n veel groter emissiegebied in vergelyking met dichalcogenied-toestelle gebaseer op pn-aansluitings.
Изображение 1d demonstreer die elektriese eienskappe van die tonnelstroomdigtheid (J) as 'n funksie van voorspanning (V) tussen grafeenelektrodes. 'n Skerp toename in stroom vir beide positiewe en negatiewe spannings dui op die voorkoms van tonnelstroom deur die struktuur. By die optimale dikte van hBN-lae (~2 nm), word 'n beduidende tonnelstroom en 'n toename in die leeftyd van ingebedde draers vir stralingsrekombinasie waargeneem.
Voordat die elektroluminesensie-eksperiment uitgevoer is, is die toestel gekenmerk deur hoek-opgeloste wit ligrefleksie om die teenwoordigheid van sterk eksitoniese koppeling te bevestig.
Prent #2
Op die beeld 2a Hoek-opgeloste reflektansiespektra van die aktiewe gebied van die toestel word getoon, wat anti-kruisgedrag demonstreer. Fotoluminessensie (PL) is ook waargeneem onder nie-resonante opwekking (460 nm), wat intense emissie van die onderste polaritontak en swakker emissie van die boonste polaritontak toon (2b).
Op 2s toon die verspreiding van polariton-elektroluminessensie teen 'n inspuittempo van 0.1 μA/μm2. Die Rabi-splitsing en holte-ontstemming verkry deur die ossillatormodusse (soliede en stippellyn wit lyn) by die EL-eksperiment te pas, is onderskeidelik ～33 meV en ～-13 meV. Die holte-ontstemming word gedefinieer as δ = Ec − Ex, waar Ex die eksitonenergie is en Ec die in-vlak nul-momentum holtefotonenergie aandui. Skedule 2d Dit is 'n snit teen verskillende hoeke van die elektroluminescerende dispersie. Hier is die verspreiding van die boonste en onderste polaritonmodusse met antikruising wat in die eksitonresonansone voorkom, duidelik sigbaar.
Prent #3
Soos die tonnelstroom toeneem, neem die algehele EL-intensiteit toe. Swak EL van polaritone word waargeneem naby die drempelverskuiwing (3a), terwyl by 'n voldoende groot verplasing bo die drumpel, polariton-emissie duidelik word (3b).
Op die beeld 3s toon 'n polêre plot van EL-intensiteit as 'n funksie van hoek, wat 'n nou emissiekegel van ±15° uitbeeld. Die stralingspatroon bly feitlik onveranderd vir beide die minimum (groen kurwe) en maksimum (oranje kurwe) opwekkingsstroom. Aan 3d toon die geïntegreerde intensiteit vir verskeie bewegende tonnelstrome, wat, soos op die grafiek gesien kan word, redelik lineêr is. Daarom kan die verhoging van die stroom na hoë waardes lei tot suksesvolle verstrooiing van polaritone langs die onderste tak en 'n uiters nou emissiepatroon skep as gevolg van polaritongenerering. In hierdie eksperiment was dit egter nie moontlik om dit te bereik nie as gevolg van die beperking wat verband hou met die diëlektriese ineenstorting van die hBN tonnelversperring.
Rooi kolletjies aan 3d wys metings van 'n ander aanwyser - ekstern kwantumdoeltreffendheid*.
Kwantumdoeltreffendheid* — die verhouding van die aantal fotone, waarvan die absorpsie die vorming van kwasideeltjies veroorsaak het, tot die totale aantal geabsorbeerde fotone.
Die waargenome kwantumdoeltreffendheid is vergelykbaar met dié in ander polariton-LED's (gebaseer op organiese materiale, koolstofbuise, ens.). Dit is opmerklik dat in die toestel wat bestudeer word, die dikte van die liguitstralende laag slegs 0.7 nm is, terwyl hierdie waarde in ander toestelle baie hoër is. Wetenskaplikes verberg nie die feit dat die kwantumdoeltreffendheid van hul toestel nie die hoogste is nie, maar dit kan verhoog word deur 'n groter aantal monolae binne die tonnelsone te plaas, geskei deur dun lae hBN.
Die navorsers het ook die effek van resonator-ontstemming op polariton EL getoets deur 'n ander toestel te maak, maar met 'n sterker ontstemming (-43 meV).
Prent #4
Op die beeld 4a EL-spektra met hoekresolusie van so 'n toestel word getoon teen 'n stroomdigtheid van 0.2 μA/μm2. As gevolg van die sterk ontstemming, vertoon die toestel 'n uitgesproke bottelnek-effek in die EL met die emissiemaksimum wat teen 'n groot hoek voorkom. Dit word verder in die beeld bevestig 4b, waar die poolgrafieke van hierdie toestel vergelyk word met die eerste een (2s).
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk .
Epiloog
Dus, al die waarnemings en metings wat hierbo beskryf is, bevestig die teenwoordigheid van polaritonelektroluminessensie in 'n vdW heterostruktuur wat in 'n optiese mikroholte ingebou is. Die tonnelargitektuur van die toestel wat bestudeer word, verseker die inbring van elektrone/gate en rekombinasie in die WS2-monolaag, wat as 'n ligstraler dien. Dit is belangrik dat die tonnelmeganisme van die toestel nie legering van komponente benodig nie, wat verliese en verskeie temperatuurverwante veranderinge tot die minimum beperk.
Daar is gevind dat EL 'n hoë rigting het as gevolg van die dispersie van die resonator. Daarom sal die verbetering van die holtegehaltefaktor en hoër stroomlewering die doeltreffendheid van mikroholte-LED's verbeter, sowel as elektries beheerde mikroholtepolaritons en fotoniese lasers.
Hierdie werk het weereens bevestig dat oorgangsmetaal dichalcogenides werklik unieke eienskappe en 'n baie wye reeks toepassings het.
Sulke navorsing en innoverende uitvindings kan die ontwikkeling en verspreiding van data-oordragtegnologieë met behulp van LED's en lig self grootliks beïnvloed. Sulke futuristiese tegnologieë sluit in Li-Fi, wat aansienlik hoër spoed as tans beskikbare Wi-Fi kan bied.
Dankie vir die lees, bly nuuskierig en geniet 'n wonderlike week ouens! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com