De multaj jaroj sciencistoj el la tuta mondo faras du aferojn - inventi kaj plibonigi. Kaj foje ne klaras, kio estas pli malfacila. Prenu, ekzemple, ordinarajn LED-ojn, kiuj ŝajnas al ni tiel simplaj kaj ordinaraj, ke ni eĉ ne atentas ilin. Sed se vi aldonas kelkajn ekscitonojn, pinĉon da polaritonoj kaj volframdisulfidon laŭguste, LED-oj ne plu estos tiel prozaikaj. Ĉiuj ĉi tiuj abstruzaj terminoj estas nomoj de ekstreme nekutimaj komponantoj, kies kombinaĵo permesis al sciencistoj de la Urba Kolegio de Novjorko krei novan sistemon kapablan transdoni informojn ege rapide uzante lumon. Ĉi tiu evoluo helpos plibonigi Li-Fi-teknologion. Kiuj precizaj ingrediencoj de la nova teknologio estis uzataj, kio estas la recepto por ĉi tiu "plado" kaj kia estas la funkcia efikeco de la nova exciton-polariton LED? La raporto de sciencistoj rakontos al ni pri tio. Iru.
Esplorbazo
Se ni simpligas ĉion ĝis unu vorto, tiam ĉi tiu teknologio estas malpeza kaj ĉio ligita al ĝi. Unue, polaritons, kiuj ekestas kiam fotonoj interagas kun ekscitoj de la medio (fononoj, ekscitonoj, plasmonoj, magnonoj, ktp.). Due, ekscitonoj estas elektronikaj ekscitoj en dielektriko, duonkonduktaĵo aŭ metalo kiuj migras ĉie en la kristalo kaj ne estas rilataj al la translokigo de elektra ŝargo kaj maso.
Gravas noti, ke ĉi tiuj kvazaŭpartikloj tre amas malvarmon, t.e. Ilia agado povas esti observita nur ĉe ekstreme malaltaj temperaturoj, kio multe limigas ilian praktikan aplikon. Sed tio estis antaŭe. En ĉi tiu laboro, sciencistoj povis venki la temperaturlimon kaj uzi ilin ĉe ĉambra temperaturo.
La ĉefa trajto de polaritons estas la kapablo ligi fotonojn unu kun la alia. Fotonoj koliziantaj kun rubidio-atomoj akiras mason. En la procezo de ripetaj kolizioj, la fotonoj resaltas unu la alian, sed en maloftaj kazoj ili formas parojn kaj triopetojn, perdante la atomkomponenton reprezentitan per la rubidioatomo.
Sed por fari ion per lumo, vi devas kapti ĝin. Por tio necesas optika resonatoro, kiu estas aro de reflektaj elementoj, kiuj formas konstantan lum-ondon.
En ĉi tiu studo, la plej gravan rolon ludas eĉ pli nekutimaj kvazaŭpartikloj - ekscito-polaritonoj, kiuj formiĝas pro la forta kuniĝo de ekscitonoj kaj fotonoj kaptitaj en optika kavaĵo.
Tamen tio ne sufiĉas, ĉar necesas, se tiel diri, materia bazo. Kaj kiu pli bone ol transirmetala dikalkogenido (TMD) ludos ĉi tiun rolon? Pli precize, WS2 (tungsten-disulfido) monotavolo estis utiligita kiel la elsenda materialo, kiu havas imponajn ekscitonajn ligajn energiojn, kiuj iĝis unu el la ĉefaj kriterioj por elekti la materialan bazon.
La kombinaĵo de ĉiuj elementoj priskribitaj supre ebligis krei elektre kontrolitan polariton LED funkciantan ĉe ĉambra temperaturo.
Por realigi ĉi tiun aparaton, monotavolo de WS2 estas krampita inter maldikaj sesangulaj boronitruro (hBN) tunelbarieroj kun grafenaj tavoloj agante kiel elektrodoj.
Esplorrezultoj
WS2, estante transirmetala dikalkogenido, ankaŭ estas atome maldika kamioneto der Waals (vdW) materialo. Ĉi tio parolas pri ĝiaj unikaj elektraj, optikaj, mekanikaj kaj termikaj propraĵoj.
En kombinaĵo kun aliaj vdW-materialoj, kiel ekzemple grafeno (kiel konduktilo) kaj sesangula bornitruro (hBN, kiel izolilo), tuta amaso da elektre kontrolitaj duonkonduktaĵoj, kiuj inkluzivas LED-ojn, povas esti realigitaj. Similaj kombinaĵoj de van der Waals-materialoj kaj polaritonoj jam estis realigitaj antaŭe, kiel la esploristoj malkaŝe deklaras. Tamen, en antaŭaj verkoj, la rezultaj sistemoj estis kompleksaj kaj neperfektaj, kaj ne rivelis la plenan potencialon de ĉiu komponento.
Unu el la ideoj kiuj estis inspiritaj fare de antaŭuloj estis la uzo de dudimensia materiala platformo. En ĉi tiu kazo, eblas realigi aparatojn kun atome maldikaj emisiaj tavoloj, kiuj povas esti integritaj kun aliaj vdW-materialoj agantaj kiel kontaktoj (grafeno) kaj tunelaj baroj (hBN). Krome, tia dudimensieco ebligas kombini polariton-LED-ojn kun vdW-materialoj kiuj havas nekutimajn magnetajn ecojn, fortan superkonduktivecon kaj/aŭ ne-normajn topologiajn translokojn. Kiel rezulto de tia kombinaĵo, tute nova speco de aparato povas esti akirita, kies propraĵoj povas esti sufiĉe nekutimaj. Sed, kiel sciencistoj diras, ĉi tio estas temo por alia studo.
Bildo #1
Sur la bildo 1a montras tridimensian modelon de aparato, kiu similas tavolkukon. La supra spegulo de la optika resonator estas tavolo de arĝento, kaj la malsupra spegulo estas 12-tavola distribuita. Bragg reflektoro*. La aktiva regiono enhavas tunelzonon.
Distribuita Bragg-reflekto* - strukturo de pluraj tavoloj, en kiu la refrakta indico de la materialo periode ŝanĝiĝas perpendikulare al la tavoloj.
La tunelzono konsistas el vdW-heterostrukturo konsistanta el WS2-monotavolo (lumemiganto), maldikaj tavoloj de hBN ambaŭflanke de la monotavolo (tunela baro) kaj grafeno (travideblaj elektrodoj por enkondukado de elektronoj kaj truoj).
Du pliaj tavoloj de WS2 estis aldonitaj por pliigi la totalan forton de la oscilatoro kaj tial produkti pli okulfrapan Rabi-dividadon de la polaritonŝtatoj.
La funkciiga reĝimo de la resonator estas ĝustigita ŝanĝante la dikecon de la PMMA-tavolo (polimetilmetakrilato, t.e. pleksiglaso).
Bildo Bildo 1b Tio estas momentfoto de vdW-heterostrukturo sur la surfaco de distribuita Bragg-reflektoro. Pro la alta reflektiveco de la distribuita Bragg-reflektoro, kio estas la malsupra tavolo, la tunelzono en la bildo havas tre malaltan reflektan kontraston, rezultigante nur la supran dikan hBN-tavolon estantan observita.
Grafikaĵo 1c reprezentas la vdW-zondiagramon de la heterostrukturo en la tunela geometrio sub delokiĝo. Elektroluminesko (EL) estas observita super la sojla tensio kiam la Fermi-nivelo de la supra (malsupra) grafeno estas ŝanĝita super (malsupre) la kondukta (valenta) bendo de WS2, permesante al elektrono (truo) tuneli en la kondukadon (valento). bando de WS2. Tio kreas favorajn kondiĉojn por la formado de ekscitonoj en la WS2-tavolo kun posta radiativa (radiativa) elektron-trua rekombinigo.
Male al pn-krucvojaj lumelsendiloj, kiuj postulas dopadon funkcii, EL de tunelaj aparatoj dependas sole de la tunela fluo, evitante optikajn perdojn kaj ajnajn ŝanĝojn en resistiveco kaŭzitaj de temperaturŝanĝoj. En la sama tempo, la tunelarkitekturo enkalkulas multe pli grandan emisioregionon komparite kun dikalkogenidaparatoj bazitaj sur pn-krucvojoj.
Bildo Bildo 1d montras la elektrajn karakterizaĵojn de la tunela kurentodenseco (J) kiel funkcio de pola tensio (V) inter grafenelektrodoj. Akra pliiĝo en fluo por kaj pozitivaj kaj negativaj tensioj indikas la okazon de tunela fluo tra la strukturo. Ĉe la optimuma dikeco de hBN-tavoloj (~2 Nm), signifa tunela fluo kaj pliiĝo en la vivdaŭro de enigitaj aviad-kompanioj por radiativa rekombinigo estas observitaj.
Antaŭ farado de la elektrolumineska eksperimento, la aparato estis karakterizita per angul-solvita blanka lumreflekto por konfirmi la ĉeeston de forta ekscitona kuplado.
Bildo #2
Sur la bildo 2a Angul-solvitaj reflektadspektroj de la aktiva regiono de la aparato estas montritaj, montrante kontraŭ-kruciĝan konduton. Fotoluminesko (PL) ankaŭ estis observita sub ne-resonanca ekscito (460 Nm), montrante intensan emision de la malsupra polaritonbranĉo kaj pli malfortan emision de la supra polaritonbranĉo (2b).
En 2c montras la disvastigon de polariton-elektroluminesko kun injektofteco de 0.1 μA/μm2. La Rabi-disigo kaj kavaĵagordado akirita per konvenado de la oscilatoraj modoj (solida kaj strekita blanka linio) al la EL-eksperimento estas ～33 meV kaj ～-13 meV, respektive. La kavmalakordigo estas difinita kiel δ = Ec − Ex, kie Ex estas la ekscitonenergio kaj Ec indikas la en-ebenan nul-momentan kavaĵan fotonenergion. Horaro 2d Ĉi tio estas tranĉo laŭ malsamaj anguloj de la elektrolumineska disperso. Ĉi tie, la disvastigo de la supraj kaj malsupraj polaritonreĝimoj kun kontraŭkruciĝo okazanta en la ekscitona resonanczono estas klare videbla.
Bildo #3
Ĉar la tunela fluo pliiĝas, la totala EL-intenseco pliiĝas. Malforta EL de polaritonoj estas observita proksime de la sojla ŝanĝo (3a), dum ĉe sufiĉe granda delokiĝo super la sojlo, polaritonemisio iĝas klara (3b).
Sur la bildo 3c montras polusan intrigon de EL-intenso kiel funkcio de angulo, prezentante mallarĝan emisiokonuson de ±15°. La radiadpadrono restas praktike senŝanĝa por kaj la minimuma (verda kurbo) kaj maksimuma (oranĝa kurbo) ekscitfluo. On 3d montras la integran intensecon por diversaj moviĝantaj tunelfluoj, kiu, kiel povas esti vidita de la grafeo, estas sufiĉe lineara. Sekve, pliigi la fluon al altaj valoroj povas konduki al sukcesa disvastigo de polaritonoj laŭ la malsupra branĉo kaj krei ekstreme mallarĝan emision pro polaritongenerado. Tamen, en tiu eksperimento estis ne eble atingi tion pro la limigo asociita kun la dielektrika rompo de la hBN-tunbariero.
Ruĝaj punktoj sur 3d montri mezurojn de alia indikilo - ekstera kvantuma efikeco*.
Kvantuma efikeco* — la rilatumo de la nombro da fotonoj, kies sorbado kaŭzis la formadon de kvazaŭpartikloj, al la totala nombro de absorbitaj fotonoj.
La observita kvantuma efikeco estas komparebla al tiu en aliaj polaritonaj LEDoj (surbaze de organikaj materialoj, karbontuboj, ktp.). Rimarkindas, ke en la studata aparato la dikeco de la lumelsenda tavolo estas nur 0.7 nm, dum en aliaj aparatoj ĉi tiu valoro estas multe pli alta. Sciencistoj ne kaŝas la fakton, ke la kvantuma efikeco de ilia aparato ne estas la plej alta, sed ĝi povas esti pliigita metante pli grandan nombron da monotavoloj ene de la tunelzono, apartigitaj per maldikaj tavoloj de hBN.
La esploristoj ankaŭ testis la efikon de kavmalagordado sur polariton EL farante alian aparaton, sed kun pli forta malakordigo (-43 meV).
Bildo #4
Sur la bildo 4a EL-spektroj kun angula rezolucio de tia aparato estas montritaj ĉe kurenta denseco de 0.2 μA/μm2. Pro la forta malakordigo, la aparato elmontras okulfrapan proplemkolo-efikon en la EL kun la emisiomaksimumo okazanta laŭ granda angulo. Ĉi tio estas plue konfirmita en la bildo 4b, kie la polusaj grafikaĵoj de ĉi tiu aparato estas komparitaj kun la unua (2c).
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi .
Epilogo
Tiel, ĉiuj observaĵoj kaj mezuradoj priskribitaj supre konfirmas la ĉeeston de polariton-elektroluminesko en vdW-heterostrukturo konstruita en optikan mikrokavon. La tunela arkitekturo de la studata aparato certigas la enkondukon de elektronoj/truoj kaj rekombinigo en la WS2-monotavolo, kiu funkcias kiel lumelsendilo. Gravas, ke la tunela mekanismo de la aparato ne postulas alojon de komponantoj, kio minimumigas perdojn kaj diversajn temperatur-rilatajn ŝanĝojn.
Estis trovite ke EL havas altan direktivecon pro la disvastigo de la resonatoro. Sekve, plibonigo de la kavkvalita faktoro kaj pli alta nuna livero plibonigos la efikecon de mikrokavaj LEDoj, same kiel elektre kontrolitaj mikrokavaj polaritonoj kaj fotonaj laseroj.
Tiu laboro denove konfirmis ke transirmetalaj dikalkogenidoj havas vere unikajn trajtojn kaj tre larĝan gamon da aplikoj.
Tia esplorado kaj novigaj inventoj povas multe influi la evoluon kaj disvastiĝon de datumtranssendoteknologioj uzante LED-ojn kaj lumon mem. Tiaj futurecaj teknologioj inkluzivas Li-Fi, kiu povas provizi signife pli altajn rapidecojn ol nuntempe disponeblaj Wi-Fi.
Dankon pro legado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnon uloj! 🙂
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, 30% rabato por uzantoj de Habr sur unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com