{"id":38607,"date":"2019-10-31T22:24:51","date_gmt":"2019-10-31T19:24:51","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa\/"},"modified":"2019-10-31T22:24:51","modified_gmt":"2019-10-31T19:24:51","slug":"budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa","title":{"rendered":"Die Zukunft von Li-Fi: Polaritonen, Exzitonen, Photonen und ein wenig Wolframdisulfid","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Die
\n
\n\u00dcber viele Jahre hinweg haben Wissenschaftler aus der ganzen Welt sich mit zwei Dingen besch\u00e4ftigt: Erfindungen und Verbesserung. Manchmal ist unklar, was davon schwieriger ist. Nehmen wir zum Beispiel die gew\u00f6hnlichen LEDs, die uns so einfach und allt\u00e4glich erscheinen, dass wir kaum darauf achten. Aber wenn man ihnen ein wenig Exzitonen, eine Prise Polaritone und nach Geschmack Wolframsulfid hinzuf\u00fcgt, verlieren die LEDs ihre Trivialit\u00e4t. All diese komplizierten Begriffe sind die Namen \u00e4u\u00dferst ungew\u00f6hnlicher Komponenten, deren Kombination es Wissenschaftlern des City College of New York erm\u00f6glicht hat, ein neues System zu entwickeln, das Informationen extrem schnell mittels Licht \u00fcbertragen kann. Diese Entwicklung wird helfen, die Li-Fi-Technologie zu verbessern. Welche Zutaten der neuen Technologie verwendet wurden, wie das Rezept f\u00fcr dieses \"Gericht\" aussieht und wie effizient der neue Exziton-Polariton-LED ist, wird uns der Bericht der Wissenschaftler verraten. Los geht's.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Basis der Forschung<\/h3>\n

\nWenn man es auf ein Wort reduzieren m\u00f6chte, dann ist diese Technologie Licht und alles, was damit zusammenh\u00e4ngt. Erstens sind es die Polaritoine, die entstehen, wenn Photonen mit Anregungen des Mediums (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnonen usw.) interagieren. Zweitens sind Exzitonen elektronische Anregungen in Dielektrika, Halbleitern oder Metallen, die durch den Kristall wandern und nicht mit dem Transport von elektrischer Ladung und Masse verbunden sind. <\/p>\n

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Quasi-Teilchen sehr kalte Bedingungen bevorzugen, d.h. man kann ihre Aktivit\u00e4t nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachten, was die praktische Anwendung stark einschr\u00e4nkt. Aber das war einmal. In dieser Arbeit haben die Wissenschaftler das Temperaturschranken \u00fcberwunden und konnten sie bei Raumtemperatur einsetzen. <\/p>\n

Das Hauptmerkmal der Polaritoine ist die F\u00e4higkeit, Photonen miteinander zu koppeln. Photonen, die mit Rubidiumatomen kollidieren, erhalten eine Masse. Durch wiederholte Kollisionen prallen die Photonen von einander ab, bilden aber in seltenen F\u00e4llen Paare und Triplets, wobei sie die atomare Komponente, repr\u00e4sentiert durch ein Rubidiumatom, verlieren.<\/p>\n

Aber um etwas mit Licht zu machen, muss man es einfangen. Daf\u00fcr ben\u00f6tigt man einen optischen Resonator, der eine Ansammlung von reflektierenden Elementen darstellt, die eine stehende Lichtwelle formen. <\/p>\n

In dieser Studie spielen noch ungew\u00f6hnlichere Quasiteilchen \u2013 Exziton-Polaritonien \u2013 eine entscheidende Rolle, die durch die starke Bindung von Exzitonen und Photonen entstehen, die in einem optischen Resonator eingefangen werden. <\/p>\n

Das allein reicht jedoch nicht aus, denn es ben\u00f6tigt sozusagen eine materielle Grundlage. Und wer k\u00f6nnte diese Rolle besser spielen als \u00dcbergangsmetall-Dichalkogenide (TMD)? Genauer gesagt wurde als emissionsf\u00e4higes Material eine Monoschicht WS2 (Wolframdisulfid) verwendet, das \u00fcber beeindruckende Exziton-Bindungsenergien verf\u00fcgt, was eines der Hauptkriterien f\u00fcr die Wahl der materiellen Grundlage war.<\/p>\n

Die Kombination aller oben beschriebenen Elemente erm\u00f6glichte die Schaffung einer elektrisch gesteuerten Polariton-LED, die bei Raumtemperatur betrieben wird.<\/p>\n

F\u00fcr die Umsetzung dieses Ger\u00e4ts wurde die Monoschicht WS2 zwischen d\u00fcnnen hexagonalen Tunnelbarrieren aus Bornitrid (hBN) platziert, wobei Graphen-Schichten als Elektroden dienen.<\/p>\n

Ergebnisse der Studie<\/h3>\n

\nWS2, als \u00dcbergangsmetall-Dichalkogenid, ist auch ein atomar d\u00fcnnes Van-der-Waals (vdW) Material. Dies zeugt von seinen einzigartigen elektrischen, optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. <\/p>\n

In Kombination mit anderen vdW-Materialien, wie Graphen (als Leiter) und hexagonalem Bornitrid (hBN, als Isolator), k\u00f6nnen eine Vielzahl von elektrisch gesteuerten Halbleiterger\u00e4ten realisiert werden, einschlie\u00dflich LEDs. Solche Kombinationen von Van-der-Waals-Materialien und Polaritonen wurden bereits zuvor umgesetzt, wie die Forscher offen erkl\u00e4ren. Allerdings waren die resultierenden Systeme in fr\u00fcheren Arbeiten komplex und unvollkommen und haben nicht das volle Potenzial jedes Einzelnen der Bestandteile offengelegt.<\/p>\n

Eine der Ideen, die von Vorg\u00e4ngern inspiriert wurde, ist die Anwendung einer zweidimensionalen Materialplattform. In diesem Fall k\u00f6nnen Ger\u00e4te mit atomar d\u00fcnnen Emissionsschichten realisiert werden, die mit anderen vdW-Materialien integriert werden k\u00f6nnen, die als Kontakte (Graphen) und Tunnelbarrieren (hBN) fungieren. Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glicht diese Zweidimensionalit\u00e4t die Kombination von Polariton-Leuchtdioden mit vdW-Materialien, die au\u00dfergew\u00f6hnliche magnetische Eigenschaften, starke Supraleitung und\/oder unkonventionelle topologische Transporte aufweisen. Dadurch kann ein v\u00f6llig neuer Ger\u00e4tetyp geschaffen werden, dessen Eigenschaften sehr ungew\u00f6hnlich sein k\u00f6nnen. Aber, wie Wissenschaftler sagen, das ist ein Thema f\u00fcr eine andere Studie.<\/p>\n

\"Die
\nBild Nr. 1<\/i><\/p>\n

In der Abbildung 1a<\/b> es wird ein dreidimensionales Modell eines Ger\u00e4tes gezeigt, das an einen Schichtkuchen erinnert. Als ober mirror des optischen Resonators dient eine Schicht Silber, und als unterer eine 12-schichtige verteilte Bragg-Reflektor*<\/i>. Im aktiven Bereich befindet sich die Tunnelzone.<\/p>\n

Verteilter Bragg-Reflektor*<\/b> \u2014 eine Struktur aus mehreren Schichten, in der der Brechungsindex des Materials periodisch senkrecht zu den Schichten variiert.<\/p><\/blockquote>\n

Die Tunnelzone besteht aus einer vdW-Heterostruktur, die aus einer Monoschicht WS2 (Lichtquelle), d\u00fcnnen Schichten hBN auf beiden Seiten der Monoschicht (Tunnelbarriere) und Graphen (durchsichtige Elektroden zur Einspeisung von Elektronen und L\u00f6chern) besteht.<\/p>\n

Es wurden noch zwei Schichten WS2 hinzugef\u00fcgt, um die gesamte St\u00e4rke des Generators zu erh\u00f6hen und somit eine ausgepr\u00e4gtere Spaltung der Rabi-Polariton-Zust\u00e4nde zu erzielen.<\/p>\n

Die Betriebsart des Resonators wird durch die \u00c4nderung der Dicke der PMMA-Schicht (Poly(methylmethacrylat), d.h. Plexiglas) eingestellt.<\/p>\n

Das Bild 1b<\/b> dies ist ein Bild der vdW-Heterostruktur auf der Oberfl\u00e4che des verteilten Bragg-Reflektors. Aufgrund der hohen Reflexionsf\u00e4higkeit des verteilten Bragg-Reflektors, der die untere Schicht darstellt, hat die Tunnelzone auf dem Bild einen sehr niedrigen Reflexionskontrast, sodass nur die obere dicke Schicht hBN zu sehen ist.<\/p>\n

Das Diagramm 1c<\/b> stellt das vdW-Diagramm der Heterostruktur in der Tunnelgeometrie bei Verschiebung dar. Elektrolumineszenz (EL) wird oberhalb der Durchbruchspannung beobachtet, wenn das Fermi-Niveau des oberen (unteren) Graphens \u00fcber (unter) dem Leitungsband (Valenzband) von WS2 verschoben ist, was es dem Elektron (Loch) erm\u00f6glicht, in das Leitungsband (Valenzband) von WS2 zu tunneln. Dies schafft g\u00fcnstige Bedingungen f\u00fcr die Bildung von Exzitonen in der WS2-Schicht mit anschlie\u00dfender radiativer (strahlender) Rekombination von Elektron-Loch.<\/p>\n

Im Gegensatz zu den auf p-n-\u00dcberg\u00e4ngen basierenden Lichtquellen, die eine Dotierung ben\u00f6tigen, h\u00e4ngt EL von Tunnelger\u00e4ten ausschlie\u00dflich vom Tunnelstrom ab, was es erm\u00f6glicht, optische Verluste und \u00c4nderungen des spezifischen Widerstands, die durch Temperatur\u00e4nderungen verursacht werden, zu vermeiden. Gleichzeitig erm\u00f6glicht die Tunnelarchitektur einen viel gr\u00f6\u00dferen Bereich der Emission im Vergleich zu p-n-\u00fcbergangsbasierenden Dichalcogenid-Ger\u00e4ten.<\/p>\n

Das Bild 1d<\/b> zeigt die elektrischen Eigenschaften der Tunnelstromdichte (J<\/i>) als Funktion der Verschiebungsspannung (V<\/i>) zwischen den Graphenelektroden. Der steile Anstieg des Stroms sowohl bei positiver als auch bei negativer Spannung weist auf das Auftreten eines Tunnelstroms durch die Struktur hin. Bei optimaler Schichtdicke von hBN (~2 nm) wird ein erheblicher Tunnelstrom und eine Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer der eindimensionalen Ladungstr\u00e4ger f\u00fcr die strahlende Rekombination beobachtet.<\/p>\n

Vor der Durchf\u00fchrung des elektrolumineszenten Experiments wurde die Charakterisierung des Ger\u00e4ts hinsichtlich der Reflexionsf\u00e4higkeit von wei\u00dfem Licht mit Winkelaufl\u00f6sung durchgef\u00fchrt, um das Vorhandensein einer starken Bindung von Exzitonen zu best\u00e4tigen.<\/p>\n

\"Die
\nAbbildung Nr. 2<\/i><\/p>\n

In der Abbildung 2a<\/b> zeigen die Reflexionsspektren mit Winkelaufl\u00f6sung aus dem aktiven Bereich des Ger\u00e4ts, die ein Verhalten zeigen, das ein \u00dcberschreiten verhindert. Es wurde auch Photolumineszenz (PL) bei nichtresonanter Anregung (460 nm) beobachtet, die eine intensive Emission aus dem unteren Zweig des Polaritons und schw\u00e4chere Emission aus dem oberen Zweig des Polaritons zeigt (2b<\/b>).<\/p>\n

Auf 2s<\/b> Die Dispersion der Elektrolumineszenz des Polaritons wird bei der Implementierung von 0,1 \u03bcA\/mk2 gezeigt. Die Rabi-Spaltung und die St\u00f6rung des Resonators, die durch das Anpassen der Modes des Oszillators (durchgezogene und gestrichelte wei\u00dfe Linie) an das elektrolumineszenzexperiment erhalten wurden, betragen \uff5e33 meV bzw. \uff5e-13 meV. Die St\u00f6rung des Resonators wird als \u03b4 = Ec \u2212 Ex definiert, wobei Ex die Energie des Exzitons und Ec die Energie eines Photons des Resonators mit null Impuls in der Ebene bezeichnet. Grafik 2d<\/b> ist ein Schnitt unter verschiedenen Winkeln von der elektrolumineszenten Dispersion. Hier ist die Dispersion der oberen und unteren Polaritonmoden mit der Antikreuzung, die in der Exzitonresonanzzone stattfindet, gut sichtbar.<\/p>\n

\"Die
\nBild Nr. 3<\/i><\/p>\n

Mit steigender Tunnelstromst\u00e4rke erh\u00f6ht sich die gesamte Intensit\u00e4t der EL. Die schwache EL der Polaritonen ist in der N\u00e4he der Schwellenverschiebung zu beobachten (3a<\/b>), w\u00e4hrend bei ausreichend gro\u00dfer Verschiebung \u00fcber der Schwelle die Polaritonemission deutlich wird (3b<\/b>).<\/p>\n

In der Abbildung 3s<\/b> zeigt ein polares Diagramm der EL-Intensit\u00e4t als Funktion des Winkels, das einen schmalen Emissionskegel von \u00b1 15\u00b0 darstellt. Das Strahlungsdiagramm bleibt sowohl f\u00fcr den minimalen (gr\u00fcne Kurve) als auch f\u00fcr den maximalen (orange Kurve) Anregungsstrom praktisch unver\u00e4ndert. An 3d<\/b> wird die integrierte Intensit\u00e4t bei verschiedenen beweglichen Tunnelstr\u00f6men gezeigt, die, wie aus dem Diagramm ersichtlich, ausreichend linear ist. Daher kann eine Erh\u00f6hung des Stroms auf hohe Werte zu einer erfolgreichen Streuung der Polaritonen entlang des unteren Zweigs f\u00fchren und ein \u00e4u\u00dferst schmaler Strahlungsdiagramm aufgrund der Polaritongenerierung erzeugt werden. In diesem Experiment war es jedoch nicht m\u00f6glich, dies aufgrund der Einschr\u00e4nkung, die mit dem dielektrischen Durchbruch der Tunnelbarriere hBN verbunden ist, zu erreichen. <\/p>\n

Die roten Punkte auf 3d<\/b> zeigen Messungen eines weiteren Indikators \u2013 der externen Quanten-Effizienz*<\/i>.<\/p>\n

Quanten-Effizienz*<\/b> ist das Verh\u00e4ltnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption zur Bildung von Quasiteilchen gef\u00fchrt hat, zur Gesamtzahl der absorbierten Photonen.<\/p><\/blockquote>\n

Die beobachtete quantenmechanische Effizienz ist mit der anderer Polariton-LEDs (auf Basis organischer Materialien, Kohlenstoffnanor\u00f6hren usw.) vergleichbar. Dabei ist zu beachten, dass die Dicke der lichtemittierenden Schicht im untersuchten Ger\u00e4t nur 0,7 nm betr\u00e4gt, w\u00e4hrend dieser Wert bei anderen Ger\u00e4ten deutlich h\u00f6her ist. Die Wissenschaftler geben offen zu, dass der Wert der quantenmechanischen Effizienz ihres Ger\u00e4ts nicht der h\u00f6chste ist, aber dieser kann durch die Platzierung einer gr\u00f6\u00dferen Anzahl von Monoschichten innerhalb der Tunnelzone, die durch d\u00fcnne Schichten aus hBN getrennt sind, erh\u00f6ht werden. <\/p>\n

Die Forscher \u00fcberpr\u00fcften auch den Einfluss der St\u00f6rung des Resonators auf den EL-Polariton, indem sie ein weiteres Ger\u00e4t mit st\u00e4rkerer St\u00f6rung (-43 meV) herstellten.<\/p>\n

\"Die
\nAbbildung Nr. 4<\/i><\/p>\n

In der Abbildung 4a<\/b> Es werden die spektralen Eigenschaften des EL mit winkelabh\u00e4ngiger Aufl\u00f6sung eines solchen Ger\u00e4ts bei einer Stromdichte von 0,2 \u00b5A\/mk\u00b2 gezeigt. Aufgrund der starken St\u00f6rung zeigt das Ger\u00e4t einen deutlich ausgepr\u00e4gten Flaschenhals-Effekt im EL, mit einem Emissionsmaximum, das bei einem gro\u00dfen Winkel auftritt. Dies wird zus\u00e4tzlich im Bild best\u00e4tigt 4b<\/b>, wo die polaren Diagramme dieses Ger\u00e4ts mit dem ersten verglichen werden (2s<\/b>).<\/p>\n

F\u00fcr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Epilog<\/h3>\n

\nSomit best\u00e4tigen alle oben beschriebenen Beobachtungen und Messungen das Vorhandensein von polaritonischer Elektrolumineszenz in der vdW-Heterostruktur, die in den optischen Mikroresonator integriert ist. Die Tunnelarchitektur des untersuchten Ger\u00e4ts erm\u00f6glicht das Einbringen von Elektronen\/L\u00f6chern und die Rekombination im Monolayer WS2, der als Lichtemitter dient. Wichtig ist, dass der Tunnelmechanismus des Ger\u00e4ts keine Legierung der Komponenten erfordert, was Verluste und verschiedene temperaturbedingte Ver\u00e4nderungen auf ein Minimum reduziert.<\/p>\n

Es wurde festgestellt, dass der EL eine hohe Direktionalit\u00e4t aufgrund der Dispersion des Resonators hat. Daher wird die Verbesserung der G\u00fcte des Resonators und eine h\u00f6here Stromzufuhr die Effizienz von Mikroresonator-LEDs sowie elektrisch gesteuerten Mikroresonator-Polariten und Photonlasern erh\u00f6hen.<\/p>\n

Diese Arbeit hat erneut best\u00e4tigt, dass die Dichalkogenide der \u00dcbergangsmetalle tats\u00e4chlich einzigartige Eigenschaften und ein sehr breites Anwendungsspektrum besitzen.<\/p>\n

\u00c4hnliche Forschungen und innovative Erfindungen k\u00f6nnen die Entwicklung und Verbreitung von Daten\u00fcbertragungstechnologien \u00fcber LED und Licht als solches erheblich beeinflussen. Zu diesen futuristischen Technologien geh\u00f6rt Li-Fi, das eine deutlich h\u00f6here Geschwindigkeit bieten kann als das derzeit verf\u00fcgbare Wi-Fi.<\/p>\n

Danke f\u00fcr Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und eine gute Arbeitswoche euch allen, Leute! \ud83d\ude42<\/p>\n

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\n
Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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