Uzun illərdir ki, bütün dünya alimləri iki işlə məşğul olurlar - icad etmək və təkmilləşdirmək. Və bəzən bunlardan hansının daha çətin olduğu aydın olmur. Məsələn, bizə o qədər sadə və adi görünən adi LEDləri götürək ki, biz onlara əhəmiyyət vermirik. Ancaq zövqə görə bir az həyəcanlandırıcı, bir çimdik polariton və volfram disulfidi əlavə etsəniz, LED-lər artıq o qədər də prozaik olmayacaq. Bütün bu mücərrəd terminlər son dərəcə qeyri-adi komponentlərin adlarıdır ki, onların birləşməsi Nyu York Şəhər Kollecinin alimlərinə işıqdan istifadə edərək məlumatı son dərəcə tez ötürə bilən yeni sistem yaratmağa imkan verir. Bu inkişaf Li-Fi texnologiyasını təkmilləşdirməyə kömək edəcək. İstifadə olunan yeni texnologiyanın inqrediyentləri dəqiq nədən ibarət idi, bu “yemək”in resepti nədir və yeni eksiton-polyarit LED-in effektivliyi nədir? Bu barədə alimlərin hesabatı məlumat verəcək. Get.
Tədqiqat bazası
Hər şey bir sözlə sadələşdirilirsə, bu texnologiya yüngül və onunla əlaqəli hər şeydir. Birincisi, fotonların orta həyəcanlarla (fononlar, eksitonlar, plazmonlar, magnonlar və s.) qarşılıqlı təsiri zamanı yaranan polaritonlar. İkincisi, eksitonlar dielektrik, yarımkeçirici və ya metalda elektron həyəcandır, kristal vasitəsilə miqrasiya edir və elektrik yükünün və kütləsinin ötürülməsi ilə əlaqəli deyil.
Qeyd etmək lazımdır ki, bu kvazirəciklər soyuqdan çox sevirlər; onların fəaliyyəti yalnız son dərəcə aşağı temperaturda müşahidə oluna bilər ki, bu da onların praktik tətbiqini ciddi şəkildə məhdudlaşdırır. Amma bu əvvəllər idi. Bu işdə elm adamları temperatur məhdudiyyətini aşa və otaq temperaturunda istifadə edə bildilər.
Polaritonların əsas xüsusiyyəti fotonları bir-birinə bağlamaq qabiliyyətidir. Rubidium atomları ilə toqquşan fotonlar kütlə alır. Çoxlu toqquşma prosesində fotonlar bir-birindən sıçrayır, lakin nadir hallarda rubidium atomu ilə təmsil olunan atom komponentini itirərək cütlər və üçlülər əmələ gətirirlər.
Ancaq işıqla bir şey etmək üçün onu tutmaq lazımdır. Bunun üçün dayanıqlı işıq dalğasını meydana gətirən əks etdirən elementlərin birləşməsindən ibarət optik rezonator lazımdır.
Bu tədqiqatda daha da qeyri-adi kvazirəciklər, optik boşluqda sıxılmış eksitonların və fotonların güclü birləşməsi nəticəsində əmələ gələn eksiton-polaritonlar həlledici rol oynayır.
Lakin bu, kifayət deyil, çünki maddi baza lazımdır, belə deyək. Keçid metal dikalkogenid (TDM) olmasa, bu rolu digərlərindən daha yaxşı kim oynayacaq. Daha dəqiq desək, emissiya materialı kimi təsir edici eksiton bağlama enerjilərinə malik olan WS2-nin (volfram disulfidinin) bir təbəqəsi istifadə edilmişdir ki, bu da maddi bazanın seçilməsi üçün əsas meyarlardan birinə çevrilmişdir.
Yuxarıda təsvir edilən bütün elementlərin birləşməsi otaq temperaturunda işləyən elektriklə idarə olunan polariton LED yaratmağa imkan verdi.
Bu cihazı həyata keçirmək üçün WS2 monolayer elektrod kimi fəaliyyət göstərən qrafen təbəqələri ilə nazik altıbucaqlı bor nitridi (hBN) tunel maneələri arasında yerləşir.
Tədqiqatın nəticələri
WS2, keçid metalı dikalkogenid olmaqla, həm də atomik olaraq nazik van der Waals (vdW) materialıdır. Bu, onun unikal elektrik, optik, mexaniki və istilik xüsusiyyətlərini göstərir.
Qrafen (keçirici kimi) və altıbucaqlı bor nitridi (hBN, izolyator kimi) kimi digər vdW materialları ilə birlikdə, LED-lər də daxil olmaqla, müxtəlif elektriklə idarə olunan yarımkeçirici qurğular həyata keçirilə bilər. Van der Waals materialları və polaritonların oxşar birləşmələri, tədqiqatçıların səmimi şəkildə ifadə etdiyi kimi, əvvəllər də həyata keçirilmişdir. Lakin əvvəlki yazılarda yaranan sistemlər mürəkkəb və qeyri-kamil idi və komponentlərin hər birinin tam potensialını üzə çıxarmırdı.
Sələflərin ilhamlandırdığı ideyalardan biri də ikiölçülü material platformasından istifadə idi. Bu halda, kontakt (qrafen) və tunel maneələri (hBN) kimi fəaliyyət göstərən digər vdW materialları ilə inteqrasiya oluna bilən atomik nazik emissiya təbəqələri olan cihazları həyata keçirmək mümkündür. Bundan əlavə, bu iki ölçülülük qeyri-adi maqnit xassələri, güclü superkeçiricilik və/və ya qeyri-standart topoloji köçürmələri olan vdW materialları ilə polariton LEDləri birləşdirməyə imkan verir. Belə birləşmənin nəticəsi olaraq, tamamilə yeni bir cihaz növü əldə edə bilərsiniz, onun xüsusiyyətləri çox qeyri-adi ola bilər. Ancaq alimlərin dediyi kimi, bu başqa bir araşdırmanın mövzusudur.
Şəkil №1
Şəkil üzərində 1a qat tortuna bənzəyən cihazın üçölçülü modelini göstərir. Optik rezonatorun yuxarı güzgüsü gümüş təbəqədir, aşağısı isə 12 qat paylanmışdır. Bragg reflektor*. Aktiv bölgədə tunel zonası var.
Paylanmış Bragg Reflektor* - materialın sındırma göstəricisinin təbəqələrə perpendikulyar olaraq vaxtaşırı dəyişdiyi bir neçə təbəqədən ibarət struktur.
Tunel zonası WS2 monolayerindən (işıq emitenti), monolayerin hər iki tərəfindəki nazik hBN təbəqələrindən (tunel maneəsi) və qrafendən (elektronların və dəliklərin daxil olması üçün şəffaf elektrodlardan) ibarət vdW heterostrukturundan ibarətdir.
Osilatorun ümumi gücünü artırmaq üçün daha iki WS2 təbəqəsi əlavə edildi və buna görə də polariton vəziyyətlərinin daha aydın Rabi parçalanmasına sahib oldu.
Rezonatorun iş rejimi PMMA təbəqəsinin (polimetil metakrilat, yəni pleksiglas) qalınlığının dəyişdirilməsi ilə tənzimlənir.
Изображение 1b bu paylanmış Bragg reflektorunun səthində vdW heterostrukturunun snapshotıdır. Aşağı təbəqə olan paylanmış Bragg reflektorunun yüksək əks etdirmə qabiliyyətinə görə, şəkildəki tunel zonası çox aşağı əks kontrastına malikdir, bunun nəticəsində hBN-nin yalnız yuxarı qalın təbəqəsi müşahidə olunur.
Cədvəl 1s yerdəyişmə altında tunel həndəsəsində vdW heterostrukturunun zona diaqramını təmsil edir. Elektroluminesans (EL) yuxarı (aşağı) qrafenin Fermi səviyyəsi WS2 keçiricilik (valentlik) zolağından yuxarı (aşağı) yerdəyişdikdə, elektronun (çuxurun) WS2 keçiriciliyinə (valentlik) tunel etməyə imkan verən zaman eşik gərginliyindən yuxarı müşahidə olunur. qrup. Bu, WS2 qatında eksitonların əmələ gəlməsi və ardınca radiativ (radiativ) elektron-deşik rekombinasiyası üçün əlverişli şərait yaradır.
İşləmək üçün dopinq tələb edən pn qovşaqlarına əsaslanan işıq emitentlərindən fərqli olaraq, tunel cihazlarının EL-i yalnız tunel cərəyanından asılıdır, bu da optik itkilərin və temperaturun dəyişməsi nəticəsində yaranan müqavimətdə hər hansı dəyişikliklərin qarşısını alır. Eyni zamanda, tunel arxitekturası pn qovşaqlarına əsaslanan dikalkogenid cihazları ilə müqayisədə daha böyük radiasiya sahəsinə imkan verir.
Изображение 1d tunel cərəyanının sıxlığının elektrik xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir (J) əyilmə gərginliyinin funksiyası kimi (V) qrafen elektrodları arasında. Həm müsbət, həm də mənfi gərginlik üçün cərəyanın kəskin artması struktur vasitəsilə tunel cərəyanının baş verdiyini göstərir. HBN təbəqələrinin optimal qalınlığında (~2 nm) əhəmiyyətli tunel cərəyanı və radiasiya rekombinasiyası üçün implantasiya edilmiş daşıyıcıların xidmət müddətinin artması müşahidə olunur.
Elektrolüminessensiya təcrübəsindən əvvəl, cihaz güclü eksiton bağlanmasının mövcudluğunu təsdiqləmək üçün bucaq ayırdetmə qabiliyyəti ilə ağ işığın əks etdirilməsi ilə xarakterizə olunurdu.
Şəkil №2
Şəkil üzərində 2a cihazın aktiv bölgəsindən bucaqla həll edilmiş əks etdirici spektrlər, kəsişməyə qarşı davranış nümayiş etdirir. Fotolüminessensiya (PL) qeyri-rezonanslı həyəcanlanma (460 nm) ilə də müşahidə edildi, qütbün aşağı qolundan intensiv emissiya və qütbün yuxarı qolundan daha zəif emissiya (2b).
Haqqında 2s polaritonun elektrolüminessensiyasının dispersiyası 0.1 μA/μm2 daxil edilməsi üçün göstərilmişdir. Elektroluminesans təcrübəsinə osilator rejimlərinin (bərk və nöqtəli ağ xətt) uyğunlaşdırılması ilə əldə edilən Rabi parçalanması və rezonatorun detuningi müvafiq olaraq ～33 meV və ～-13 meV təşkil edir. Rezonatorun detuningi δ = Ec − Ex kimi müəyyən edilir, burada Ex eksiton enerjisidir və Ec sıfır müstəvi impulslu rezonator foton enerjisidir. Cədvəl 2d elektrolüminessent dispersiyadan fərqli bucaqlarda kəsikdir. Burada eksiton rezonans zonasında baş verən antikrossinqlə yuxarı və aşağı polariton rejimlərinin dispersiyasını aydın görmək olar.
Şəkil №3
Tunel cərəyanı artdıqca ümumi EL intensivliyi artır. Eşik yerdəyişməsinə yaxın polaritonlardan zəif EL müşahidə olunur (3a), eşikdən yuxarı kifayət qədər böyük sürüşmə zamanı polariton emissiyası fərqli olur (3b).
Şəkil üzərində 3s ± 15°-lik dar emissiya konusunu təsvir edən bucaq funksiyası kimi EL intensivliyinin qütb qrafikini göstərir. Radiasiya nümunəsi həm minimum (yaşıl əyri), həm də maksimum (narıncı əyri) həyəcan cərəyanı üçün praktiki olaraq dəyişməz qalır. Aktiv 3d inteqral intensivlik müxtəlif hərəkət edən tunel cərəyanları üçün göstərilmişdir ki, bu da qrafikdən göründüyü kimi kifayət qədər xəttidir. Buna görə, cərəyanın yüksək dəyərlərə artırılması, aşağı budaq boyunca polaritonların müvəffəqiyyətlə səpilməsinə səbəb ola bilər və polaritonların yaranması səbəbindən son dərəcə dar bir şüalanma nümunəsi yarada bilər. Lakin bu təcrübədə hBN tunel baryerinin dielektrik parçalanması ilə bağlı məhdudiyyətə görə bu mümkün olmadı.
qırmızı nöqtələr 3d başqa bir göstəricinin ölçülərini göstərin - xarici kvant səmərəliliyi*.
Kvant Effektivliyi* udulması kvazirəciklərin əmələ gəlməsinə səbəb olan fotonların sayının udulmuş fotonların ümumi sayına nisbətidir.
Müşahidə olunan kvant səmərəliliyi digər polariton LED-lərdəki (üzvi materiallar, karbon boruları və s. əsasında) ilə müqayisə edilə bilər. Qeyd edək ki, tədqiq olunan cihazda işıq yayan təbəqənin qalınlığı cəmi 0.7 nm olduğu halda, digər cihazlarda bu göstərici xeyli yüksəkdir. Alimlər gizlətmirlər ki, onların aparatının kvant səmərəliliyi indeksi ən yüksək deyil, lakin onu tunel zonasının daxilində nazik hBN təbəqələri ilə ayrılmış daha çox sayda monolayer yerləşdirməklə artırmaq olar.
Tədqiqatçılar həmçinin rezonator detuninqinin polariton EL-ə təsirini başqa bir cihaz hazırlayaraq, lakin daha güclü detuninglə (-43 meV) sınaqdan keçiriblər.
Şəkil №4
Şəkil üzərində 4a EL spektrləri 0.2 μA/μm2 cərəyan sıxlığında belə bir cihazın açısal həlli ilə göstərilir. Güclü tənzimləmə sayəsində cihaz EL-də böyük bucaq altında baş verən maksimum emissiya ilə aydın darboğaz effekti nümayiş etdirir. Bu, görüntüdə daha da təsdiqlənir. 4b, burada bu cihazın qütb sahələri birincisi ilə müqayisə edilir (2s).
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm .
Epiloq
Beləliklə, yuxarıda təsvir edilən bütün müşahidələr və ölçmələr optik mikro boşluğa daxil edilmiş vdW heterostrukturunda polariton elektrolüminessensiyasının mövcudluğunu təsdiqləyir. Tədqiq olunan cihazın tunel arxitekturası elektronların/deşiklərin daxil edilməsini və işıq emitenti kimi xidmət edən WS2 monolayerində rekombinasiyanı təmin edir. Cihazın tunel mexanizminin itkiləri və temperaturla bağlı müxtəlif dəyişiklikləri minimuma endirən komponentlərin ərintisini tələb etməməsi vacibdir.
Müəyyən edilmişdir ki, EL rezonatorun dispersiyasına görə yüksək istiqamətləndiriciliyə malikdir. Buna görə də, rezonatorun keyfiyyət amilinin yaxşılaşdırılması və daha yüksək cərəyan təchizatı mikroboşluqlu LED-lərin, eləcə də elektriklə idarə olunan mikroboşluq polaritonlarının və foton lazerlərinin səmərəliliyini artıracaq.
Bu iş bir daha təsdiq etdi ki, keçid metalı dikalkogenidləri həqiqətən unikal xüsusiyyətlərə və çox geniş tətbiq sahəsinə malikdir.
Belə tədqiqatlar və innovativ ixtiralar LED-lər və işığın özü vasitəsilə məlumat ötürmə texnologiyalarının inkişafına və yayılmasına böyük təsir göstərə bilər. Belə futuristik texnologiyalara Li-Fi daxildir ki, bu da hazırda mövcud Wi-Fi-dan xeyli yüksək sürət təmin edə bilər.
Diqqətiniz üçün təşəkkür edirik, maraqlanın və hər kəsə xoş həftə keçirin! 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimizi bəyənirsinizmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, Bizim tərəfimizdən sizin üçün ixtira edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoquna Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com