لسنوات عديدة ، كان العلماء من جميع أنحاء العالم يفعلون شيئين - الابتكار والتحسين. وأحيانًا يكون من غير الواضح أيهما أكثر صعوبة. خذ ، على سبيل المثال ، مصابيح LED العادية ، والتي تبدو بسيطة وعادية لنا لدرجة أننا لا ننتبه إليها. ولكن إذا أضفت بعض الإكسيتونات ، وقليل من البولاريتونات وثاني كبريتيد التنجستن حسب الرغبة ، فلن تكون مصابيح LED مبتذلة. كل هذه المصطلحات الغامضة هي أسماء لمكونات غير عادية للغاية ، وقد أتاح الجمع بينها لعلماء من كلية مدينة نيويورك إنشاء نظام جديد يمكنه نقل المعلومات بسرعة كبيرة باستخدام الضوء. سيساعد هذا التطور في تحسين تقنية Li-Fi. ما هي بالضبط مكونات التقنية الجديدة المستخدمة ، ما هي وصفة هذا "الطبق" وما هي كفاءة مصباح LED الجديد من نوع Exciton-Polariton؟ سيخبرنا تقرير العلماء عن هذا. يذهب.
أساس البحث
إذا تم تبسيط كل شيء إلى كلمة واحدة ، فهذه التكنولوجيا خفيفة وكل ما يرتبط بها. أولاً ، البولاريتونات ، التي تنشأ عندما تتفاعل الفوتونات مع الإثارات المتوسطة (الفونونات ، والإكسيتونات ، والبلازمونات ، والمغنونات ، وما إلى ذلك). ثانيًا ، الإكسيتونات عبارة عن إثارة إلكترونية في مادة عازلة أو شبه موصل أو معدن ، تنتقل عبر البلورة ولا ترتبط بنقل الشحنة الكهربائية والكتلة.
من المهم أن نلاحظ أن هذه الجسيمات شبه مغرمة جدًا بالبرد ؛ يمكن ملاحظة نشاطها فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية ، مما يحد بشدة من تطبيقها العملي. لكن هذا كان من قبل. في هذا العمل ، تمكن العلماء من التغلب على قيود درجة الحرارة واستخدامها في درجات حرارة الغرفة.
السمة الرئيسية للقطارات هي القدرة على ربط الفوتونات ببعضها البعض. تكتسب الفوتونات التي تصطدم بذرات الروبيديوم كتلة. في عملية التصادمات المتعددة ، ترتد الفوتونات عن بعضها البعض ، لكنها في حالات نادرة تشكل أزواجًا وثلاثة توائم ، بينما تفقد المكون الذري الذي تمثله ذرة الروبيديوم.
لكن من أجل القيام بشيء ما بالضوء ، يجب أن يتم التقاطه. لهذا ، هناك حاجة إلى مرنان بصري ، وهو مزيج من العناصر العاكسة التي تشكل موجة ضوئية ثابتة.
في هذه الدراسة ، تلعب أشباه الجسيمات الأكثر غرابة ، وهي الإكسيتون-بولاريتونات ، والتي تتشكل بسبب الاقتران القوي للإكسيتونات والفوتونات المحاصرة في تجويف ضوئي ، دورًا حاسمًا.
ومع ذلك ، هذا لا يكفي ، لأن الأساس المادي ضروري ، إذا جاز التعبير. ومن ، إن لم يكن يتحول إلى ثنائي الكالكوجينيد المعدني (TDM) ، سيلعب هذا الدور بشكل أفضل من غيره. لكي نكون أكثر دقة ، تم استخدام أحادي الطبقة من WS2 (ثاني كبريتيد التنجستن) كمادة انبعاث ، والتي لها طاقات ربط إكسيتون مثيرة للإعجاب ، والتي أصبحت أحد المعايير الرئيسية لاختيار قاعدة مادية.
أتاح الجمع بين جميع العناصر الموضحة أعلاه إمكانية إنشاء مصباح LED بولاريتون يتم التحكم فيه كهربائيًا يعمل في درجة حرارة الغرفة.
لتنفيذ هذا الجهاز ، يقع WS2 أحادي الطبقة بين حواجز نفق سداسية رقيقة من نيتريد البورون (hBN) مع طبقات الجرافين التي تعمل كأقطاب كهربائية.
نتائج الدراسة
WS2 ، كونه ثنائي كالكوجينيد معدني انتقالي ، هو أيضًا مادة فان دير فالس (vdW) رقيقة ذريًا. يشير هذا إلى خصائصه الكهربائية والبصرية والميكانيكية والحرارية الفريدة.
بالاقتران مع مواد أخرى vdW ، مثل الجرافين (كموصل) ونيتريد البورون السداسي (hBN ، كعازل) ، يمكن تحقيق مجموعة كاملة من أجهزة أشباه الموصلات التي يتم التحكم فيها كهربائيًا ، والتي تتضمن مصابيح LED. تم بالفعل تحقيق تركيبات مماثلة من مواد فان دير فال والبولاريتون من قبل ، كما صرح الباحثون بصراحة. ومع ذلك ، في الكتابات السابقة ، كانت الأنظمة الناتجة معقدة وغير كاملة ، ولم تكشف عن الإمكانات الكاملة لكل من المكونات.
كانت إحدى الأفكار المستوحاة من الأسلاف هي استخدام منصة مواد ثنائية الأبعاد. في هذه الحالة ، من الممكن تنفيذ أجهزة ذات طبقات انبعاث رفيعة ذريًا يمكن دمجها مع مواد vdW أخرى تعمل كجهات اتصال (جرافين) وحواجز أنفاق (hBN). بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا ثنائي الأبعاد يجعل من الممكن الجمع بين Polariton LEDs مع مواد vdW التي لها خصائص مغناطيسية غير عادية ، والموصلية الفائقة القوية ، و / أو النقل الطوبولوجي غير القياسي. نتيجة لمثل هذه المجموعة ، يمكنك الحصول على نوع جديد تمامًا من الأجهزة ، قد تكون خصائصه غير عادية للغاية. ولكن ، كما يقول العلماء ، هذا موضوع لدراسة أخرى.
الصورة رقم 1
على الصورة 1а يُظهر نموذجًا ثلاثي الأبعاد لجهاز يشبه كعكة الطبقة. المرآة العلوية للرنان البصري عبارة عن طبقة فضية ، والمرآة السفلية من 12 طبقة موزعة عاكس براج *. توجد منطقة نفق في المنطقة النشطة.
عاكس براغ الموزع * - هيكل من عدة طبقات ، حيث يتغير معامل الانكسار للمادة بشكل دوري بشكل عمودي على الطبقات.
تتكون منطقة النفق من بنية غير متجانسة vdW تتكون من WS2 أحادي الطبقة (باعث ضوئي) وطبقات hBN رقيقة على جانبي الطبقة الأحادية (حاجز النفق) والجرافين (أقطاب كهربائية شفافة لإدخال الإلكترونات والثقوب).
تمت إضافة طبقتين WS2 أخريين لزيادة القوة الإجمالية للمذبذب وبالتالي الحصول على انقسام رابي أكثر وضوحًا لحالات البولاريتون.
يتم ضبط وضع تشغيل الرنان عن طريق تغيير سمك طبقة PMMA (بولي ميثيل ميثاكريلات ، أي زجاج شبكي).
Изображение 1b هذه لقطة من بنية غير متجانسة vdW على سطح عاكس Bragg الموزع. نظرًا للانعكاسية العالية لعاكس Bragg الموزع ، وهو الطبقة السفلية ، فإن منطقة النفق في الصورة لها تباين انعكاس منخفض للغاية ، ونتيجة لذلك لا يُلاحظ سوى الطبقة السميكة العليا من hBN.
جدول 1s يمثل مخطط المنطقة للبنية غير المتجانسة vdW في هندسة النفق تحت الإزاحة. لوحظ التألق الكهربي (EL) فوق عتبة الجهد عندما يتم إزاحة مستوى فيرمي من الجرافين العلوي (السفلي) أعلى (أسفل) نطاق التوصيل (التكافؤ) WS2 ، مما يسمح للإلكترون (الفتحة) بالنفق في توصيل WS2 (التكافؤ) فرقة. هذا يخلق ظروفًا مواتية لتشكيل الإكسيتونات في طبقة WS2 متبوعة بإعادة التركيب الإشعاعي (الإشعاعي) لثقب الإلكترون.
على عكس بواعث الضوء المستندة إلى تقاطعات pn ، والتي تتطلب تشغيل المنشطات ، تعتمد EL من أجهزة الأنفاق فقط على تيار النفق ، والذي يتجنب الخسائر البصرية وأي تغييرات في المقاومة الناتجة عن التغيرات في درجات الحرارة. في الوقت نفسه ، تسمح بنية النفق بمساحة إشعاع أكبر بكثير مقارنة بأجهزة دايكالكوجينيد القائمة على تقاطعات pn.
Изображение 1d يوضح الخصائص الكهربائية لكثافة تيار النفق (J) كدالة لجهد التحيز (V) بين أقطاب الجرافين. تشير الزيادة الحادة في التيار لكل من الجهد الموجب والسالب إلى حدوث تيار نفق عبر الهيكل. عند السماكة المثلى لطبقات hBN (حوالي 2 نانومتر) ، لوحظ وجود تيار نفق كبير وزيادة في عمر الحاملات المزروعة لإعادة التركيب الإشعاعي.
قبل تجربة اللمعان الكهربائي ، تميز الجهاز بانعكاس الضوء الأبيض بدقة الزاوي لتأكيد وجود ارتباط قوي بالإكسيتون.
الصورة رقم 2
على الصورة 2а يتم عرض أطياف الانعكاس ذات الزاوية المحددة من المنطقة النشطة للجهاز ، مما يُظهر السلوك المضاد للتقاطع. لوحظ أيضًا التلألؤ الضوئي (PL) مع الإثارة غير الرنانة (460 نانومتر) ، مما يُظهر انبعاثًا شديدًا من الفرع السفلي للبولاريتون وانبعاثًا أضعف من الفرع العلوي للبولاريتون (2b).
في 2s يظهر تشتت اللمعان الكهربائي للبولاريتون لإدخال 0.1 μA / μm2. تم الحصول على تقسيم رابي وتفجير الرنان عن طريق تركيب أوضاع المذبذب (الخط الأبيض الصلب والمنقط) لتجربة التلألؤ الكهربائي ～ 33 meV و ～ -13 meV ، على التوالي. يُعرَّف تفجير الرنان على أنه δ = Ec - Ex ، حيث Ex هي طاقة الإكسيتون و Ec هي طاقة فوتون الرنان مع زخم صفر داخل الطائرة. جدول 2d إنه قطع بزوايا مختلفة من التشتت الكهربائي. هنا يمكن للمرء أن يرى بوضوح تشتت وضعي البولاريتون العلوي والسفلي مع حدوث انعكاس في منطقة صدى الإكسيتون.
الصورة رقم 3
مع زيادة تيار النفق ، تزداد كثافة EL الإجمالية. لوحظ ضعف EL من البولاريتون بالقرب من تحيز العتبة (3а) ، بينما في تحول كبير بما فيه الكفاية فوق العتبة ، يصبح انبعاث البولاريتون مميزًا (3b).
على الصورة 3s يُظهر رسمًا بيانيًا قطبيًا لشدة EL كدالة للزاوية ، يصور مخروط انبعاث ضيق بمقدار ± 15 درجة. يظل نمط الإشعاع بدون تغيير عمليًا لكل من تيار الإثارة الأدنى (المنحنى الأخضر) والحد الأقصى (المنحنى البرتقالي). على 3d تظهر الكثافة المتكاملة لمختلف التيارات النفقية المتحركة ، والتي ، كما يتضح من الرسم البياني ، خطية تمامًا. لذلك ، يمكن أن تؤدي زيادة التيار إلى قيم عالية إلى تشتت البولاريتونات بنجاح على طول الفرع السفلي وإنشاء مخطط إشعاع ضيق للغاية بسبب توليد البولاريتونات. ومع ذلك ، في هذه التجربة ، لم يكن ذلك ممكنًا بسبب القيود المرتبطة بانهيار العزل الكهربائي لحاجز نفق hBN.
على النقاط الحمراء 3d تظهر قياسات مؤشر آخر - خارجي كفاءة ذرية*.
كفاءة ذرية* هي نسبة عدد الفوتونات التي تسبب امتصاصها في تكوين أشباه الجسيمات إلى العدد الإجمالي للفوتونات الممتصة.
يمكن مقارنة كفاءة الكم الملحوظة بتلك الموجودة في مصابيح Polariton LED الأخرى (بناءً على المواد العضوية وأنابيب الكربون وما إلى ذلك). وتجدر الإشارة إلى أن سماكة الطبقة الباعثة للضوء في الجهاز قيد الدراسة تبلغ 0.7 نانومتر فقط ، بينما تكون هذه القيمة أعلى بكثير في الأجهزة الأخرى. لا يخفي العلماء حقيقة أن مؤشر الكفاءة الكمية لأجهزتهم ليس هو الأعلى ، ولكن يمكن زيادته عن طريق وضع عدد أكبر من الطبقات الأحادية داخل منطقة النفق ، مفصولة بطبقات رقيقة من hBN.
اختبر الباحثون أيضًا تأثير تفجير الرنان على Polariton EL عن طريق صنع جهاز آخر ، ولكن مع تفجير أقوى (-43 meV).
الصورة رقم 4
على الصورة 4а يتم عرض أطياف EL بدقة زاوية لمثل هذا الجهاز بكثافة حالية تبلغ 0.2 μA / μm2. نظرًا للفصل القوي ، يُظهر الجهاز تأثير اختناق واضح في EL مع حد أقصى للانبعاث يحدث بزاوية كبيرة. تم تأكيد ذلك في الصورة. 4b، حيث تتم مقارنة المخططات القطبية لهذا الجهاز بالأول (2s).
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر .
خاتمة
وهكذا ، تؤكد جميع الملاحظات والقياسات المذكورة أعلاه وجود تلألؤ كهربائي بولاريتون في بنية غير متجانسة vdW مضمن في تجويف دقيق بصري. تضمن بنية النفق للجهاز قيد الدراسة إدخال الإلكترونات / الثقوب وإعادة التركيب في WS2 أحادي الطبقة ، والذي يعمل بمثابة باعث ضوئي. من المهم ألا تتطلب آلية النفق الخاصة بالجهاز تكوين سبائك من المكونات ، مما يقلل من الخسائر والتغيرات المختلفة المرتبطة بدرجات الحرارة.
وجد أن EL لها اتجاهية عالية بسبب تشتت الرنان. لذلك ، فإن تحسين عامل جودة المرنان وزيادة إمداد التيار سيؤدي إلى تحسين كفاءة مصابيح LED ذات التجويف الصغير ، فضلاً عن بولاريتونات التجويف الصغري والليزر الفوتوني المتحكم فيهما كهربائياً.
أكد هذا العمل مرة أخرى أن ثنائيات الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية لها خصائص فريدة حقًا ومجموعة واسعة جدًا من التطبيقات.
يمكن أن تؤثر هذه الأبحاث والاختراعات المبتكرة بشكل كبير على تطوير ونشر تقنيات نقل البيانات من خلال مصابيح LED والضوء نفسه. تتضمن هذه التقنيات المستقبلية تقنية Li-Fi ، والتي يمكن أن توفر سرعات أعلى بكثير من شبكة Wi-Fi المتوفرة حاليًا.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بأسبوع رائع للجميع! 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com