Για πολλά χρόνια, επιστήμονες από όλο τον κόσμο κάνουν δύο πράγματα - την εφεύρεση και τη βελτίωση. Και μερικές φορές δεν είναι ξεκάθαρο τι είναι πιο δύσκολο. Πάρτε, για παράδειγμα, τα συνηθισμένα LED, τα οποία μας φαίνονται τόσο απλά και συνηθισμένα που δεν τους δίνουμε καν σημασία. Αλλά αν προσθέσετε μερικά εξιτόνια, μια πρέζα πολαριτόνια και δισουλφίδιο βολφραμίου για γεύση, τα LED δεν θα είναι πλέον τόσο πεζά. Όλοι αυτοί οι δυσνόητοι όροι είναι τα ονόματα εξαιρετικά ασυνήθιστων στοιχείων, ο συνδυασμός των οποίων επέτρεψε σε επιστήμονες από το City College της Νέας Υόρκης να δημιουργήσουν ένα νέο σύστημα ικανό να μεταδίδει πληροφορίες εξαιρετικά γρήγορα χρησιμοποιώντας το φως. Αυτή η εξέλιξη θα βοηθήσει στη βελτίωση της τεχνολογίας Li-Fi. Ποια ακριβώς συστατικά της νέας τεχνολογίας χρησιμοποιήθηκαν, ποια είναι η συνταγή για αυτό το «πιάτο» και ποια είναι η απόδοση λειτουργίας του νέου LED exciton-polariton; Η έκθεση των επιστημόνων θα μας πει για αυτό. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Αν απλοποιήσουμε τα πάντα σε μία λέξη, τότε αυτή η τεχνολογία είναι ελαφριά και ό,τι συνδέεται με αυτήν. Πρώτον, τα πολαριτόνια, τα οποία προκύπτουν όταν τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τις διεγέρσεις του μέσου (φωνόνια, εξιτόνια, πλασμόνια, μάγνονα κ.λπ.). Δεύτερον, τα εξιτόνια είναι ηλεκτρονικές διεγέρσεις σε ένα διηλεκτρικό, ημιαγωγό ή μέταλλο που μεταναστεύουν σε όλο τον κρύσταλλο και δεν σχετίζονται με τη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου και μάζας.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτά τα οιονεί σωματίδια αγαπούν πολύ το κρύο, δηλ. Η δραστηριότητά τους μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που περιορίζει πολύ την πρακτική εφαρμογή τους. Αλλά αυτό ήταν πριν. Σε αυτή την εργασία, οι επιστήμονες μπόρεσαν να ξεπεράσουν τον περιορισμό της θερμοκρασίας και να τους χρησιμοποιήσουν σε θερμοκρασίες δωματίου.
Το κύριο χαρακτηριστικό των πολαριτονίων είναι η ικανότητα να δεσμεύουν φωτόνια μεταξύ τους. Τα φωτόνια που συγκρούονται με άτομα ρουβιδίου αποκτούν μάζα. Στη διαδικασία επαναλαμβανόμενων συγκρούσεων, τα φωτόνια αναπηδούν το ένα από το άλλο, αλλά σε σπάνιες περιπτώσεις σχηματίζουν ζεύγη και τρίδυμα, ενώ χάνουν το ατομικό συστατικό που αντιπροσωπεύεται από το άτομο ρουβιδίου.
Αλλά για να κάνεις κάτι με το φως, πρέπει να το πιάσεις. Για αυτό, απαιτείται ένας οπτικός συντονιστής, ο οποίος είναι ένα σύνολο ανακλαστικών στοιχείων που σχηματίζουν ένα στάσιμο κύμα φωτός.
Σε αυτή τη μελέτη, τον πιο σημαντικό ρόλο παίζουν ακόμη πιο ασυνήθιστα οιονεί σωματίδια - εξιτόνια-πολαριτόνια, τα οποία σχηματίζονται λόγω της ισχυρής σύζευξης εξιτονίων και φωτονίων παγιδευμένων σε μια οπτική κοιλότητα.
Ωστόσο, αυτό δεν αρκεί, γιατί χρειάζεται, ας πούμε, μια υλική βάση. Και ποιος καλύτερος από το διχαλκογονίδιο μετάλλων μετάπτωσης (TMD) θα παίξει αυτόν τον ρόλο; Πιο συγκεκριμένα, ως υλικό εκπομπής χρησιμοποιήθηκε μια μονοστοιβάδα WS2 (δισουλφίδιο βολφραμίου), η οποία έχει εντυπωσιακές ενέργειες δέσμευσης εξιτονίων, που έγινε ένα από τα βασικά κριτήρια για την επιλογή της βάσης του υλικού.
Ο συνδυασμός όλων των στοιχείων που περιγράφηκαν παραπάνω κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ενός ηλεκτρικά ελεγχόμενου LED polariton που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου.
Για την υλοποίηση αυτής της συσκευής, μια μονοστοιβάδα WS2 τοποθετείται ανάμεσα σε λεπτά φράγματα σήραγγας με εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN) με στρώματα γραφενίου που λειτουργούν ως ηλεκτρόδια.
Αποτελέσματα της μελέτης
Το WS2, ως διχαλκογονίδιο μετάλλου μεταπτώσεως, είναι επίσης ένα ατομικά λεπτό υλικό van der Waals (vdW). Αυτό μιλά για τις μοναδικές ηλεκτρικές, οπτικές, μηχανικές και θερμικές του ιδιότητες.
Σε συνδυασμό με άλλα υλικά vdW, όπως το γραφένιο (ως αγωγός) και το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN, ως μονωτής), μπορεί να πραγματοποιηθεί μια ολόκληρη σειρά ηλεκτρικά ελεγχόμενων συσκευών ημιαγωγών, οι οποίες περιλαμβάνουν LED. Παρόμοιοι συνδυασμοί υλικών van der Waals και πολαριτών έχουν ήδη πραγματοποιηθεί στο παρελθόν, όπως δηλώνουν ανοιχτά οι ερευνητές. Ωστόσο, σε προηγούμενες εργασίες, τα συστήματα που προέκυψαν ήταν πολύπλοκα και ατελή, και δεν αποκάλυπταν το πλήρες δυναμικό κάθε στοιχείου.
Μία από τις ιδέες που εμπνεύστηκαν οι προκάτοχοί τους ήταν η χρήση μιας δισδιάστατης πλατφόρμας υλικού. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι δυνατό να κατασκευαστούν συσκευές με ατομικά λεπτά στρώματα εκπομπής, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν με άλλα υλικά vdW που λειτουργούν ως επαφές (γραφένιο) και φράγματα σήραγγας (hBN). Επιπλέον, αυτή η δισδιάσταση καθιστά δυνατό τον συνδυασμό των LED πολάριτον με υλικά vdW που έχουν ασυνήθιστες μαγνητικές ιδιότητες, ισχυρή υπεραγωγιμότητα και/ή μη τυπικές τοπολογικές μεταφορές. Ως αποτέλεσμα ενός τέτοιου συνδυασμού, μπορεί να ληφθεί ένας εντελώς νέος τύπος συσκευής, οι ιδιότητες του οποίου μπορεί να είναι αρκετά ασυνήθιστες. Αλλά, όπως λένε οι επιστήμονες, αυτό είναι ένα θέμα για άλλη μελέτη.
Εικόνα #1
Στην εικόνα 1a δείχνει ένα τρισδιάστατο μοντέλο μιας συσκευής που μοιάζει με κέικ στρώσης. Το επάνω κάτοπτρο του οπτικού αντηχείου είναι ένα στρώμα από ασήμι και το κάτω κάτοπτρο είναι ένα κατανεμημένο 12 στρωμάτων ανακλαστήρας Bragg*. Η ενεργή περιοχή περιέχει μια ζώνη σήραγγας.
Κατανεμημένος ανακλαστήρας Bragg* - μια δομή πολλών στρωμάτων στην οποία ο δείκτης διάθλασης του υλικού αλλάζει περιοδικά κάθετα στα στρώματα.
Η ζώνη της σήραγγας αποτελείται από μια ετεροδομή vdW που αποτελείται από μια μονοστιβάδα WS2 (εκπομπός φωτός), λεπτά στρώματα hBN και στις δύο πλευρές της μονοστιβάδας (φράγμα σήραγγας) και γραφένιο (διαφανή ηλεκτρόδια για την εισαγωγή ηλεκτρονίων και οπών).
Δύο ακόμη στρώματα WS2 προστέθηκαν για να αυξηθεί η συνολική ισχύς του ταλαντωτή και ως εκ τούτου να προκληθεί πιο έντονη διάσπαση Rabi των καταστάσεων πολάριτον.
Ο τρόπος λειτουργίας του αντηχείου ρυθμίζεται αλλάζοντας το πάχος της στρώσης PMMA (μεθακρυλικός πολυμεθυλεστέρας, δηλ. plexiglass).
Изображение 1b Αυτό είναι ένα στιγμιότυπο μιας ετεροδομής vdW στην επιφάνεια ενός κατανεμημένου ανακλαστήρα Bragg. Λόγω της υψηλής ανακλαστικότητας του κατανεμημένου ανακλαστήρα Bragg, που είναι το κάτω στρώμα, η ζώνη της σήραγγας στην εικόνα έχει πολύ χαμηλή αντίθεση ανάκλασης, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μόνο το άνω παχύ στρώμα hBN.
Πρόγραμμα 1s είναι το διάγραμμα ζώνης vdW της ετεροδομής στη γεωμετρία της σήραγγας υπό μετατόπιση. Η ηλεκτροφωταύγεια (EL) παρατηρείται πάνω από την οριακή τάση όταν το επίπεδο Fermi του επάνω (κάτω) γραφενίου μετατοπίζεται πάνω (κάτω) από τη ζώνη αγωγιμότητας (σθένους) του WS2, επιτρέποντας σε ένα ηλεκτρόνιο (οπή) να εισχωρήσει στην αγωγιμότητα (σθένος) μπάντα του WS2. Αυτό δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για το σχηματισμό εξιτονίων στο στρώμα WS2 με επακόλουθο ανασυνδυασμό ακτινοβολίας (ακτινοβολίας) ηλεκτρονίου-οπής.
Σε αντίθεση με τους εκπομπούς φωτός διασταύρωσης pn, που απαιτούν ντόπινγκ για να λειτουργήσουν, το EL από τις συσκευές σήραγγας εξαρτάται αποκλειστικά από το ρεύμα της σήραγγας, αποφεύγοντας οπτικές απώλειες και τυχόν αλλαγές στην ειδική αντίσταση που προκαλούνται από αλλαγές θερμοκρασίας. Ταυτόχρονα, η αρχιτεκτονική της σήραγγας επιτρέπει μια πολύ μεγαλύτερη περιοχή εκπομπής σε σύγκριση με τις συσκευές διχαλκογονιδίου που βασίζονται σε διασταυρώσεις pn.
Изображение 1d δείχνει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της πυκνότητας ρεύματος της σήραγγας (J) ως συνάρτηση της τάσης πόλωσης (V) μεταξύ ηλεκτροδίων γραφενίου. Μια απότομη αύξηση του ρεύματος τόσο για θετικές όσο και για αρνητικές τάσεις υποδηλώνει την εμφάνιση ρεύματος σήραγγας μέσω της κατασκευής. Στο βέλτιστο πάχος των στρωμάτων hBN (~2 nm), παρατηρείται ένα σημαντικό ρεύμα σήραγγας και μια αύξηση στη διάρκεια ζωής των ενσωματωμένων φορέων για ανασυνδυασμό ακτινοβολίας.
Πριν από τη διεξαγωγή του πειράματος ηλεκτροφωταύγειας, η συσκευή χαρακτηρίστηκε από ανάκλαση λευκού φωτός με ανάλυση γωνίας για να επιβεβαιωθεί η παρουσία ισχυρής εξιτονικής σύζευξης.
Εικόνα #2
Στην εικόνα 2a Εμφανίζονται φάσματα ανάκλασης με ανάλυση γωνίας από την ενεργή περιοχή της συσκευής, επιδεικνύοντας συμπεριφορά κατά της διασταύρωσης. Η φωτοφωταύγεια (PL) παρατηρήθηκε επίσης υπό μη συντονισμένη διέγερση (460 nm), δείχνοντας έντονη εκπομπή από τον κατώτερο κλάδο πολάριτον και ασθενέστερη εκπομπή από τον ανώτερο κλάδο πολάριτον (2b).
Επί 2s δείχνει τη διασπορά της ηλεκτροφωταύγειας του πολαριτονίου με ρυθμό έγχυσης 0.1 μA/μm2. Η διάσπαση και ο αποσυντονισμός της κοιλότητας Rabi που προέκυψαν με την προσαρμογή των τρόπων ταλαντωτή (συμπαγή και διακεκομμένη λευκή γραμμή) στο πείραμα EL είναι ～33 meV και ～-13 meV, αντίστοιχα. Ο αποσυντονισμός της κοιλότητας ορίζεται ως δ = Ec − Ex, όπου Ex είναι η ενέργεια εξιτονίου και Ec υποδηλώνει την ενέργεια φωτονίων της κοιλότητας μηδενικής ορμής εντός του επιπέδου. Πρόγραμμα 2d Αυτή είναι μια τομή σε διαφορετικές γωνίες από την ηλεκτροφωταύγεια διασπορά. Εδώ, η διασπορά του ανώτερου και του κατώτερου τρόπου πολάριτον με αντιδιασταύρωση που εμφανίζεται στη ζώνη συντονισμού εξιτονίων είναι καθαρά ορατή.
Εικόνα #3
Καθώς το ρεύμα της σήραγγας αυξάνεται, η συνολική ένταση EL αυξάνεται. Ασθενές EL από πολάριτονες παρατηρείται κοντά στη μετατόπιση κατωφλίου (3a), ενώ σε μια αρκετά μεγάλη μετατόπιση πάνω από το κατώφλι, η εκπομπή πολαριτονίου γίνεται ευδιάκριτη (3b).
Στην εικόνα 3s δείχνει ένα πολικό διάγραμμα της έντασης EL ως συνάρτηση της γωνίας, που απεικονίζει έναν στενό κώνο εκπομπής ±15°. Το μοτίβο ακτινοβολίας παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητο τόσο για το ελάχιστο (πράσινη καμπύλη) όσο και για το μέγιστο (πορτοκαλί καμπύλη) ρεύμα διέγερσης. Επί 3d δείχνει την ενσωματωμένη ένταση για διάφορα κινούμενα ρεύματα σήραγγας, η οποία, όπως φαίνεται από το γράφημα, είναι αρκετά γραμμική. Επομένως, η αύξηση του ρεύματος σε υψηλές τιμές μπορεί να οδηγήσει σε επιτυχή διασπορά των πολαριτόνων κατά μήκος του κατώτερου κλάδου και να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά στενό μοτίβο εκπομπής λόγω της παραγωγής πολαριτόνων. Ωστόσο, σε αυτό το πείραμα δεν ήταν δυνατό να επιτευχθεί αυτό λόγω του περιορισμού που σχετίζεται με τη διηλεκτρική διάσπαση του φράγματος της σήραγγας hBN.
Κόκκινες κουκκίδες επάνω 3d εμφάνιση μετρήσεων άλλου δείκτη - εξωτερικού κβαντική απόδοση*.
Κβαντική απόδοση* — η αναλογία του αριθμού των φωτονίων, η απορρόφηση των οποίων προκάλεσε το σχηματισμό οιονεί σωματιδίων, προς τον συνολικό αριθμό των φωτονίων που απορροφήθηκαν.
Η παρατηρούμενη κβαντική απόδοση είναι συγκρίσιμη με αυτή σε άλλα πολαριτόνια LED (με βάση οργανικά υλικά, σωλήνες άνθρακα κ.λπ.). Αξίζει να σημειωθεί ότι στην υπό μελέτη συσκευή το πάχος του στρώματος εκπομπής φωτός είναι μόλις 0.7 nm, ενώ σε άλλες συσκευές αυτή η τιμή είναι πολύ μεγαλύτερη. Οι επιστήμονες δεν κρύβουν το γεγονός ότι η κβαντική απόδοση της συσκευής τους δεν είναι η υψηλότερη, αλλά μπορεί να αυξηθεί με την τοποθέτηση μεγαλύτερου αριθμού μονοστοιβάδων μέσα στη ζώνη της σήραγγας, που χωρίζονται από λεπτά στρώματα hBN.
Οι ερευνητές δοκίμασαν επίσης την επίδραση του αποσυντονισμού αντηχείου στο polariton EL κατασκευάζοντας μια άλλη συσκευή, αλλά με ισχυρότερο αποσυντονισμό (-43 meV).
Εικόνα #4
Στην εικόνα 4a Τα φάσματα EL με γωνιακή ανάλυση μιας τέτοιας συσκευής εμφανίζονται σε πυκνότητα ρεύματος 0.2 μA/μm2. Λόγω του ισχυρού αποσυντονισμού, η συσκευή εμφανίζει έντονο φαινόμενο συμφόρησης στο EL με το μέγιστο εκπομπών να εμφανίζεται σε μεγάλη γωνία. Αυτό επιβεβαιώνεται περαιτέρω στην εικόνα 4b, όπου τα πολικά γραφήματα αυτής της συσκευής συγκρίνονται με την πρώτη (2s).
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε .
Επίλογος
Έτσι, όλες οι παρατηρήσεις και οι μετρήσεις που περιγράφονται παραπάνω επιβεβαιώνουν την παρουσία ηλεκτροφωταύγειας πολάριτον σε μια ετεροδομή vdW ενσωματωμένη σε μια οπτική μικροκοιλότητα. Η αρχιτεκτονική τούνελ της υπό μελέτη συσκευής εξασφαλίζει την εισαγωγή ηλεκτρονίων/οπών και τον ανασυνδυασμό στη μονοστιβάδα WS2, η οποία χρησιμεύει ως εκπομπός φωτός. Είναι σημαντικό ο μηχανισμός σήραγγας της συσκευής να μην απαιτεί κράμα εξαρτημάτων, γεγονός που ελαχιστοποιεί τις απώλειες και τις διάφορες αλλαγές που σχετίζονται με τη θερμοκρασία.
Διαπιστώθηκε ότι το EL έχει υψηλή κατευθυντικότητα λόγω της διασποράς του συντονιστή. Επομένως, η βελτίωση του συντελεστή ποιότητας της κοιλότητας και η παροχή υψηλότερου ρεύματος θα βελτιώσει την απόδοση των LED μικροκοιλότητας, καθώς και των ηλεκτρικά ελεγχόμενων πολαριτόνων μικροκοιλότητας και των φωτονικών λέιζερ.
Αυτή η εργασία επιβεβαίωσε για άλλη μια φορά ότι τα διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως έχουν πραγματικά μοναδικές ιδιότητες και ένα πολύ ευρύ φάσμα εφαρμογών.
Τέτοιες ερευνητικές και καινοτόμες εφευρέσεις μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη και την εξάπλωση των τεχνολογιών μετάδοσης δεδομένων χρησιμοποιώντας LED και το ίδιο το φως. Τέτοιες φουτουριστικές τεχνολογίες περιλαμβάνουν το Li-Fi, το οποίο μπορεί να παρέχει σημαντικά υψηλότερες ταχύτητες από το τρέχον διαθέσιμο Wi-Fi.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά! 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, Έκπτωση 30% για χρήστες Habr σε ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, που εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com