Ers blynyddoedd lawer, mae gwyddonwyr o bob rhan o'r byd wedi bod yn gwneud dau beth - dyfeisio a gwella. Ac weithiau nid yw'n glir pa un o'r rhain sy'n fwy anodd. Cymerwch, er enghraifft, LEDs cyffredin, sy'n ymddangos mor syml a chyffredin i ni nad ydym yn talu sylw iddynt. Ond os ydych chi'n ychwanegu rhai excitons, pinsied o bolartonau a disulfide twngsten i flasu, ni fydd y LEDs mor rhyddiaith mwyach. Mae'r holl dermau abswiwt hyn yn enwau cydrannau hynod anarferol, ac roedd y cyfuniad ohonynt yn caniatáu i wyddonwyr o Goleg Dinas Efrog Newydd greu system newydd a all drosglwyddo gwybodaeth yn gyflym iawn gan ddefnyddio golau. Bydd y datblygiad hwn yn helpu i wella technoleg Li-Fi. Beth yn union oedd cynhwysion y dechnoleg newydd a ddefnyddiwyd, beth yw'r rysáit ar gyfer y "pryd" hwn a beth yw effeithlonrwydd y LED exciton-polariton newydd? Bydd adroddiad gwyddonwyr yn dweud wrthym am hyn. Ewch.
Sail ymchwil
Os yw popeth wedi'i symleiddio i un gair, yna mae'r dechnoleg hon yn ysgafn a phopeth sy'n gysylltiedig ag ef. Yn gyntaf, polaritonau, sy'n codi pan fydd ffotonau'n rhyngweithio â chyffro canolig (ffonau, excitons, plasmons, magnons, ac ati). Yn ail, mae excitons yn excitation electronig mewn dielectric, lled-ddargludyddion neu fetel, mudo drwy'r grisial ac nad ydynt yn gysylltiedig â throsglwyddo tâl trydan a màs.
Mae'n bwysig nodi bod y lledronynnau hyn yn hoff iawn o oerfel; dim ond ar dymheredd hynod o isel y gellir arsylwi eu gweithgaredd, sy'n cyfyngu'n ddifrifol ar eu cymhwysiad ymarferol. Ond yr oedd hynny o'r blaen. Yn y gwaith hwn, roedd gwyddonwyr yn gallu goresgyn y cyfyngiad tymheredd a'u defnyddio ar dymheredd ystafell.
Prif nodwedd polaritonau yw'r gallu i glymu ffotonau i'w gilydd. Mae ffotonau sy'n gwrthdaro ag atomau rwbidiwm yn caffael màs. Yn y broses o wrthdrawiadau lluosog, mae ffotonau yn bownsio oddi ar ei gilydd, ond mewn achosion prin maent yn ffurfio parau a thripledi, tra'n colli'r gydran atomig a gynrychiolir gan yr atom rubidium.
Ond er mwyn gwneud rhywbeth gyda'r golau, rhaid ei ddal. Ar gyfer hyn, mae angen cyseinydd optegol, sy'n gyfuniad o elfennau adlewyrchol sy'n ffurfio ton golau sefydlog.
Yn yr astudiaeth hon, mae lled-ronynnau hyd yn oed yn fwy anarferol, exciton-polaritons, sy'n cael eu ffurfio oherwydd y cyplu cryf o excitons a ffotonau sydd wedi'u dal mewn ceudod optegol, yn chwarae rhan hanfodol.
Fodd bynnag, nid yw hyn yn ddigon, oherwydd mae angen sail berthnasol, fel petai. A phwy, os nad trosiannol deuchalcogenide metel (TDM), fydd yn chwarae rôl hon yn well nag eraill. I fod yn fwy manwl gywir, defnyddiwyd monolayer o WS2 (disulfide twngsten) fel y deunydd allyrru, sydd ag egni rhwymo exciton trawiadol, a ddaeth yn un o'r prif feini prawf ar gyfer dewis sylfaen ddeunydd.
Roedd y cyfuniad o'r holl elfennau a ddisgrifir uchod yn ei gwneud hi'n bosibl creu LED polariton a reolir yn drydanol yn gweithredu ar dymheredd ystafell.
Er mwyn gweithredu'r ddyfais hon, mae'r monolayer WS2 wedi'i leoli rhwng rhwystrau twnelu boron nitrid hecsagonol tenau (hBN) gyda haenau graphene yn gweithredu fel electrodau.
Canlyniadau ymchwil
Mae WS2, sy'n ddeuchalcogenide metel trosiannol, hefyd yn ddeunydd van der Waals (vdW) atomig denau. Mae hyn yn dangos ei briodweddau trydanol, optegol, mecanyddol a thermol unigryw.
Ar y cyd â deunyddiau vdW eraill, megis graphene (fel dargludydd) a boron nitrid hecsagonol (hBN, fel ynysydd), gellir gwireddu amrywiaeth eang o ddyfeisiau lled-ddargludyddion a reolir yn drydanol, sy'n cynnwys LEDs. Mae cyfuniadau tebyg o ddeunyddiau van der Waals a polaritonau eisoes wedi'u gwireddu o'r blaen, fel y dywed yr ymchwilwyr yn onest. Fodd bynnag, mewn ysgrifeniadau blaenorol, roedd y systemau canlyniadol yn gymhleth ac yn amherffaith, ac nid oeddent yn datgelu potensial llawn pob un o'r cydrannau.
Un o'r syniadau a ysbrydolwyd gan y rhagflaenwyr oedd defnyddio llwyfan deunydd dau ddimensiwn. Yn yr achos hwn, mae'n bosibl gweithredu dyfeisiau â haenau allyriadau tenau atomig y gellir eu hintegreiddio â deunyddiau vdW eraill sy'n gweithredu fel cysylltiadau (graphene) a rhwystrau twnelu (hBN). Yn ogystal, mae'r ddau ddimensiwn hwn yn ei gwneud hi'n bosibl cyfuno LEDau polariton â deunyddiau vdW sydd â phriodweddau magnetig anarferol, uwchddargludedd cryf, a / neu drosglwyddiadau topolegol ansafonol. O ganlyniad i gyfuniad o'r fath, gallwch gael math hollol newydd o ddyfais, y gall ei briodweddau fod yn anarferol iawn. Ond, fel y dywed gwyddonwyr, mae hwn yn bwnc ar gyfer astudiaeth arall.
Delwedd #1
Ar y ddelwedd 1 yn dangos model tri dimensiwn o ddyfais sy'n debyg i gacen haen. Mae drych uchaf y resonator optegol yn haen arian, ac mae'r un isaf yn haen 12 wedi'i ddosbarthu Adlewyrchydd Bragg*. Mae parth twnnel yn y rhanbarth gweithredol.
Adlewyrchydd Bragg wedi'i ddosbarthu* - strwythur o sawl haen, lle mae mynegai plygiannol y deunydd yn newid yn berpendicwlar i'r haenau o bryd i'w gilydd.
Mae parth y twnnel yn cynnwys heterostructure vdW sy'n cynnwys monolayer WS2 (allyrrydd golau), haenau hBN tenau ar ddwy ochr y monolayer (rhwystr twnnel) a graphene (electrodau tryloyw ar gyfer cyflwyno electronau a thyllau).
Ychwanegwyd dwy haen WS2 arall i gynyddu cryfder cyffredinol yr oscillator ac felly i gael hollti Rabi o'r cyflyrau polariton yn fwy amlwg.
Mae modd gweithredu'r resonator yn cael ei diwnio trwy newid trwch yr haen PMMA (methacrylate polymethyl, h.y. plexiglass).
Изображение 1b dyma giplun o heterostructure vdW ar wyneb adlewyrchydd Bragg gwasgaredig. Oherwydd adlewyrchedd uchel yr adlewyrchydd Bragg dosbarthedig, sef yr haen isaf, mae gan y parth twnnel yn y ddelwedd gyferbyniad adlewyrchiad isel iawn, ac o ganlyniad dim ond haen drwchus uchaf hBN a welir.
Atodlen 1c cynrychioli'r diagram parth o'r heterostructure vdW yn y geometreg twnnel o dan dadleoli. Gwelir electroluminescence (EL) uwchlaw'r foltedd trothwy pan fydd lefel Fermi y graphene uchaf (is) yn cael ei symud uwchben (is) y band dargludiad (falens) WS2, gan ganiatáu i electron (twll) dwnelu i mewn i'r dargludiad WS2 (falens) band. Mae hyn yn creu amodau ffafriol ar gyfer ffurfio excitons yn yr haen WS2 ac yna ailgyfuno twll electron ymbelydrol (ymbelydrol).
Yn wahanol i allyrwyr golau yn seiliedig ar gyffyrdd pn, sydd angen dopio i weithredu, mae'r EL o ddyfeisiau twnnel yn dibynnu'n llwyr ar gerrynt y twnnel, sy'n osgoi colledion optegol ac unrhyw newidiadau mewn gwrthedd a achosir gan newidiadau tymheredd. Ar yr un pryd, mae pensaernïaeth y twnnel yn caniatáu ardal ymbelydredd llawer mwy o'i gymharu â dyfeisiau dichalcogenide yn seiliedig ar gyffyrdd pn.
Изображение 1d yn dangos nodweddion trydanol dwysedd y cerrynt twnelu (J) fel ffwythiant o foltedd bias (V) rhwng electrodau graphene. Mae cynnydd sydyn mewn cerrynt ar gyfer foltedd positif a negyddol yn dynodi bod cerrynt twnelu yn digwydd drwy'r strwythur. Ar y trwch gorau posibl o haenau hBN (~2 nm), gwelir cerrynt twnelu sylweddol a chynnydd yn oes cludwyr wedi'u mewnblannu ar gyfer ailgyfuno ymbelydrol.
Cyn yr arbrawf electroluminescence, nodweddwyd y ddyfais gan adlewyrchedd golau gwyn gyda datrysiad onglog i gadarnhau presenoldeb rhwymiad exciton cryf.
Delwedd #2
Ar y ddelwedd 2 Dangosir sbectra adlewyrchiad wedi'i ddatrys gan onglau o ranbarth gweithredol y ddyfais, gan ddangos ymddygiad gwrth-groesi. Arsylwyd photoluminescence (PL) hefyd gyda excitation nad yw'n soniarus (460 nm), yn dangos allyriadau dwys o gangen isaf y polariton ac allyriadau gwannach o gangen uchaf y polariton (2b).
Ar 2c dangosir gwasgariad electroluminescence polariton ar gyfer mewnosodiad o 0.1 μA/μm2. Y tiwnio hollti a'r atseinio Rabi a geir trwy osod y moddau osgiliadur (llinell wen solet a doredig) i'r arbrawf electroluminescence yw ～33 meV a ～-13 meV, yn y drefn honno. Diffinnir dad-diwnio'r cyseinio fel δ = Ec − Ex, lle Ex yw'r egni exciton ac Ec yw'r egni ffoton cyseinydd gyda sero momentwm mewn awyren. Atodlen 2d mae'n doriad ar onglau gwahanol i'r gwasgariad electroluminescent. Yma gall un weld yn glir gwasgariad y dulliau polariton uchaf ac isaf gyda gwrthgroesiad yn digwydd yn y parth cyseiniant exciton.
Delwedd #3
Wrth i'r cerrynt twnelu gynyddu, mae cyfanswm dwyster EL yn cynyddu. Gwelir EL gwan o'r polaritonau ger y gogwydd trothwy (3), tra ar sifft digon mawr uwchben y trothwy, mae allyriadau polariton yn dod yn wahanol (3b).
Ar y ddelwedd 3c yn dangos graff pegynol o arddwysedd EL fel ffwythiant ongl, yn darlunio côn allyrru cul o ± 15°. Nid yw'r patrwm ymbelydredd wedi newid bron ar gyfer y cerrynt cyffroi lleiaf (cromlin werdd) ac uchafswm (cromlin oren). Ar 3d dangosir y dwyster integredig ar gyfer amrywiol geryntau twnnel symudol, sydd, fel y gwelir o'r graff, yn eithaf llinellol. Felly, gall cynyddu'r cerrynt i werthoedd uchel arwain at wasgaru polaritonau'n llwyddiannus ar hyd y gangen isaf a chreu patrwm ymbelydredd hynod gul oherwydd cynhyrchu polaritonau. Fodd bynnag, yn yr arbrawf hwn, nid oedd hyn yn bosibl oherwydd y cyfyngiad sy'n gysylltiedig â chwalfa dielectrig y rhwystr twnelu hBN.
dotiau coch ymlaen 3d dangos mesuriadau dangosydd arall - allanol effeithlonrwydd cwantwm*.
Effeithlonrwydd Cwantwm* yw cymhareb nifer y ffotonau y mae eu hamsugno wedi achosi ffurfio lledronynnau i gyfanswm nifer y ffotonau a amsugnwyd.
Mae'r effeithlonrwydd cwantwm a arsylwyd yn debyg i'r effeithlonrwydd mewn LEDau polariton eraill (yn seiliedig ar ddeunyddiau organig, tiwbiau carbon, ac ati). Dylid nodi mai dim ond 0.7 nm yw trwch yr haen allyrru golau yn y ddyfais dan sylw, tra bod y gwerth hwn yn llawer uwch mewn dyfeisiau eraill. Nid yw gwyddonwyr yn cuddio'r ffaith nad mynegai effeithlonrwydd cwantwm eu dyfais yw'r uchaf, ond gellir ei gynyddu trwy osod nifer fwy o monolayers y tu mewn i'r parth twnnel, wedi'u gwahanu gan haenau tenau o hBN.
Profodd yr ymchwilwyr hefyd ddylanwad y resonator detuning ar y polariton EL trwy wneud dyfais arall, ond gyda detuning cryfach (-43 meV).
Delwedd #4
Ar y ddelwedd 4 Dangosir sbectra EL gyda chydraniad onglog dyfais o'r fath ar ddwysedd cerrynt o 0.2 μA/μm2. Oherwydd y diwnio cryf, mae'r ddyfais yn arddangos effaith dagfa amlwg yn yr EL gydag uchafswm allyriadau yn digwydd ar ongl fawr. Mae hyn yn cael ei gadarnhau ymhellach yn y ddelwedd. 4b, lle mae lleiniau pegynol y ddyfais hon yn cael eu cymharu â'r cyntaf (2c).
I gael adnabyddiaeth fanylach o naws yr astudiaeth, rwy'n argymell edrych arno .
Epilogue
Felly, mae'r holl arsylwadau a mesuriadau a ddisgrifir uchod yn cadarnhau presenoldeb electroluminescence polariton mewn heterostrwythur vdW sydd wedi'i fewnosod mewn microgeudod optegol. Mae pensaernïaeth twnnel y ddyfais sy'n cael ei hastudio yn sicrhau cyflwyniad electronau/tyllau ac ailgyfuniad yn y monolayer WS2, sy'n gwasanaethu fel allyrrydd golau. Mae'n bwysig nad yw mecanwaith twnnel y ddyfais yn gofyn am aloi cydrannau, sy'n lleihau colledion a newidiadau amrywiol sy'n gysylltiedig â thymheredd.
Canfuwyd bod gan yr EL gyfarwyddedd uchel oherwydd gwasgariad y cyseinydd. Felly, bydd gwella ffactor ansawdd y resonator a chyflenwad cyfredol uwch yn gwella effeithlonrwydd LEDs microcavity, yn ogystal â polaritonau microcavity a reolir yn drydanol a lasers ffoton.
Cadarnhaodd y gwaith hwn unwaith eto fod gan ddeuchalcogenides metel trosiannol briodweddau gwirioneddol unigryw ac ystod eang iawn o gymwysiadau.
Gall ymchwil a dyfeisiadau arloesol o'r fath ddylanwadu'n fawr ar ddatblygiad a lledaeniad technolegau trosglwyddo data trwy LEDs a golau ei hun. Mae technolegau dyfodolaidd o'r fath yn cynnwys Li-Fi, a all ddarparu cyflymderau llawer cyflymach na'r Wi-Fi sydd ar gael ar hyn o bryd.
Diolch am eich sylw, cadwch yn chwilfrydig a chael wythnos wych pawb! 🙂
Diolch am aros gyda ni. Ydych chi'n hoffi ein herthyglau? Eisiau gweld cynnwys mwy diddorol? Cefnogwch ni trwy osod archeb neu argymell i ffrindiau, Gostyngiad o 30% i ddefnyddwyr Habr ar analog unigryw o weinyddion lefel mynediad, a ddyfeisiwyd gennym ni ar eich cyfer chi: (ar gael gyda RAID1 a RAID10, hyd at 24 craidd a hyd at 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 gwaith yn rhatach? Dim ond yma yn yr Iseldiroedd! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - o $99! Darllenwch am
Ffynhonnell: hab.com