Li-Fi tulevik: polaritoniid, eksitoniid, fotonid ja natuke volframdissulfidi.

Aastate jooksul on teadlaste rühm üle kogu maailma tegelenud kahe asjaga – leiutamise ja täiustamisega. Mõnikord on keeruline öelda, kumba neist on raskem saavutada. Võtame näiteks tavalised LED-lambid, mis tunduvad meile nii lihtsad ja igapäevased, et me ei pööra neile tähelepanu. Kuid kui neisse lisada veidi eksitoneid, näpuotsatäis polaritone ja wolframi disulfiidi maitsmiseks, ei tundu need enam nii tavalised. Kõik need keerulised terminid on nimed äärmiselt ebatavaliste komponentide jaoks, mille kombinatsioon lubas New Yorgi Linnaülikooli teadlastel luua uue süsteemi, mis suudab väga kiiresti edastada teavet valguse abil. See arendus aitab täiustada Li-Fi tehnoloogiat. Milliseid koostisosade uues tehnoloogias on kasutatud, mis on selle „roa“ retsept ja kui tõhus on uue eksiton-polaritone LED-i töö? Sellest räägib teadlaste ettekanne. Alustame.

Uuringu alus

Kui kõik lihtsustada ühe sõnaga, siis see tehnoloogia on valgus ja kõik, mis sellega seotud on. Esiteks, polaritonid, mis tekivad fotonite interaktsioonist keskkonna erutustega (fononid, eksitonid, plasmonid, magnoni jne). Teiseks, eksitonid – elektronide ergutus dielektrikutes, poolsüdi- või metallides, mis rändavad kristalli kaudu ja ei ole seotud elektrilise laengu ja massi edasiviimisega.

Oluline on märkida, et need kvasiosakesed armastavad külma, st nende aktiivsust on võimalik jälgida vaid äärmiselt madalatel temperatuuridel, mis piirab nende praktilist kasutamist. Kuid see oli kunagi nii. Käesolevas töös suutsid teadlased ületada temperatuuri piirangud ja kasutada neid toatemperatuuril.

Polaritonide peamine omadus on võime siduda footoneid omavahel. Fotod, mis põrkavad rubiidiumi aatomitega, omandavad massi. Korduvalt põrkudes tõukavad fotonid üksteist eemale, kuid harvadel juhtudel moodustavad nad paare ja triplette, kaotades samas rubiidiumi aatomi esindatud aatomilise koostisosade.

Kuid midagi valgusega teha, on vajalik selle kinni püüda. Selleks on vajalik optiline resonator, mis koosneb peegelduvast elementidest, mis moodustavad seisev valguslainet.

Antud uuringus mängivad veelgi uskumatumad kvasiosakesed - eksiton-polaritonid, mis moodustuvad tänu eksitonide ja fotonite tugevale sidemele, mis on kinni püütud optilises resonatoris.

Kuid see ei piisa, kuna on vajalik materiaalne alus, nii öelda. Ja kes muu kui ülemineku metalli dihalkogeeniid (DPM) mängib seda rolli paremini kui teised. Täpsemalt öeldes kasutati kiirgava materjalina monokihti WS2 (volframisulfiidi), millel on muljetavaldavad eksitonide sidumisenergiad, mis oli üks peamisi kriteeriume materiaalse aluse valimisel.

Kokkuvõte kõigist ülalmainitud elementidest võimaldas luua elektriliselt juhitava polaritoni LED-i, mis töötab toatemperatuuril.

Selle seadme teostamiseks on monokiht WS2 paigutatud õhukeste kuueharuliste tunnelbarrieride vahele, mis on valmistatud boor-nitridist (hBN), kus grafiidi kihid toimivad elektroodidena.

Uuringu tulemused

WS2, olles ülemineku metallide dihalkogeeniid, on samuti aatomipaksune Van-der-Waalsi (vdW) materjal. See näitab selle ainulaadseid elektrilisi, optilisi, mehaanilisi ja termilisi omadusi.

Koos teiste vdW materjalidega, nagu grafit (kui juht) ja kuueharuline boor-nitriid (hBN, kui isolaator), on võimalik teostada mitmesuguseid elektriliselt juhitavaid pooljuhtseadmeid, mille hulka kuuluvad ka LED-id. Selliseid Van-der-Waalsi materjalide ja polaritonide kombinatsioone on varemgi teostatud, nagu uurijad selgelt väidavad. Kuid varasemates töödes saadud süsteemid olid keerulised ja mittetäielikud ning ei avalikustanud kõiki iga komponendi potentsiaali.

Üks inspiratsiooni allikaid, milleks olid eelkäijad, oli kahemõõtmelise materjaliplatvormi kasutamine. Sellisel juhul on võimalik rakendada seadmeid, millel on aatomipaksused emissioonikihid, mida saab integreerida teiste vdW materjalidega, mis toimivad kontaktidena (grafiit) ja tunnelibarjääridena (hBN). Lisaks võimaldab selline kahemõõtmelisus ühendada polaritoni LED-e vdW-materjalidega, mis omavad ebatavalisi magnetilisi omadusi, tugevat ülijuhtivust ja/või mittestandardsed topoloogilised siirdeid. Tulemuseks on täiesti uue tüübi seade, mille omadused võivad olla äärmiselt ebatavalised. Kuid, nagu teadlased ütlevad, on see teema teiseks uurimiseks.

Pilt №1

Pildil 1a on esitatud kolmemõõtmeline mudel seadmest, mis meenutab kihilist kooki. Ülemise peegli optilise resonaatori jaoks on kollane hõbesüüte kiht, alumise jaoks on 12-kihiline jaotatud Brägg'i reflektor*. Aktiivses piirkonnas on tunnelitsoon.

Jaotatud Brägg'i reflektor* — struktuur, mis koosneb mitmest kihist, kus materjali murdumisnäitaja muutub perioodiliselt ridadega risti.

Tunnelitsoon koosneb vdW heterostruktuurist, mis koosneb monokihtilisest WS2-st (valgusallikas), õhukestest hBN kihtidest mõlemal pool monokihti (tunnelibarjäär) ja grafiidist (läbipaistvad elektroodid elektronide ja aukude sisestamiseks).

Kokku on lisatud veel kaks WS2 kihti generaatori kogutugevuse suurendamiseks ning seega rohkem väljendunud Rabi polaritoni olekute jagunemiseks.

Resonaatori töörežiimi reguleeritakse PMMA (polümetüülmetakrilaat, st orgaaniline klaas) kihi paksuse muutmisega.

Pilt 1b see on foto vdW heterostruktuurist jaotatud Brägg'i reflektori pinnal. Jaotatud Brägg'i reflektori tõttu, mis on alumine kiht, on tunnelitsoonil fotol väga madal peegelduskontrast, mille tõttu on nähtav ainult ülemine paks hBN kiht.

Graafik 1C esind vdW heterostruktuuri diagramm ala tunneligeomeetria nihkega. Elektroluminestsents (EL) toimub pinge läviväärtusest kõrgemal, kui ülemise (alumise) grafiidi Fermi tase on kõrgem (madalam) WS2 juhtivus (või augu) tsoonist, mis võimaldab elektroonidel (aukudel) tunnelda WS2 juhtivus (või augu) tsooni. See loob soodsad tingimused eksitonide tekkeks WS2 kihis järgneva radiatiivse (kiirgava) rekombinatsiooniga elektron-augu.

Erinevalt p-n siirdeidla põhjal töötavatest valgusallikatest, mille jaoks on vajalik dopeerimine, sõltub EL tunneliseadmete puhul eranditult tunnelivoolust, mis võimaldab vältida optilisi kaotusi ja muid konkreetse takistuse muutusi, mis tulenevad temperatuuri muutumisest. Samal ajal võimaldab tunnelistruktuur võrreldes p-n siirdeidla põhjal töötavate dikhalkogeeniidiseadmetega palju suuremat kiirgusala.

Pilt 1d näitab elektrilisi omadusi tunnelivoolu tihedusest (J) nihke pingete (V) vahel grafiidi elektroodide. Voolu järsk tõus nii positiivse kui ka negatiivse pinge korral näitab tunnelivoolu tekkimist struktuuris. Optimaalse hBN kihipaksuse (~2 nm) juures on täheldatud märkimisväärset tunnelivoolu ja pikenenud eluaega sisendained kiirgava rekombinatsiooni jaoks.

Enne elektroluminestsentsi katsetuse läbiviimist viidi seadme iseloomustamiseks läbi valge valguse peegeldusvõimekus nurga eraldusvõimega, et kinnitada tugevat eksitonide sidumise olemasolu.

Pilt nr 2

Pildil 2a on näidatud nurga täpsusega peegeldusspektrid seadme aktiivsest alast, mis demonstreerivad ületamise takistavat käitumist. Samuti täheldati fotoluminestsentsi (PL) mitte-resonantse erutuspunktiga (460 nm), mis demonstreerib intensiivset kiirgust polaatori alumisest harust ja nõrgemat kiirgust polaatori ülemisest harust (2b).

Pealehe 2s kuvatakse dispertsioon elektroluumenestsentsist polaritoni sissetoomisel 0.1 μA/mk². Rabi jagunemine ja resonaatorkujunduse segamine, mis saadi osilaatorite mode sobitamise teel (täis- ja katkendlik valge joon) elektroluumenetsentsi eksperimendi jaoks, on vastavalt ~33 meV ja ~-13 meV. Resonantse segamine määratakse kui δ = Ec − Ex, kus Ex on eksitoni energia ja Ec tähistab nullimpulssiga resonaatorkiiri energia taset. Graafik 2d on lõige erinevates nurkades elektroluumenetsentsi dispersioonist. Siin on hästi nähtav ülemise ja alumise polaritoni mode dispersioon, kus toimub antikokkupuude eksitoni resonantsi piirkonnas.

Pilt nr 3

Kuna tunnelivool suureneb, kasvab elektroluumenentsi koguintensiivsus. Nõrk elektroluumenents polaritoni poolt on märgatav lähedal lävendihäirele (3a), samas kui piisava häire korral üle läve muutub polaritone emissioon selgelt nähtavaks (3b).

Pildil 3s kuvatakse polaardiagramm elektroluumenentsi intensiivsusest nurga funktsioonina, mis kujutab kitsast emissioonikoonust ± 15°. Kiirgusdiagramm jääb praktiliselt muutumatuks nii minimaalsete (roheline käsi) kui ka maksimaalsete (oranž käsi) ergutusvooludega. Siin 3d kuvatakse integreeritud intensiivsus erinevate liikuvate tunnelivoolude korral, mis graafikult näha on piisavalt lineaarsed. Seega võib voolu tõstmine kõrgematele väärtustele põhjustada polaritoni edasilükkumist alumisel harul ja luua äärmiselt kitsase kiirgusdiagrammi polaritoni genereerimise tõttu. Kuid selle eksperimendi puhul ei olnud võimalik seda saavutada debido diëlektrilistest häiretest tunnelbarjääri hBN suhtes.

Punased punktid 3d näitavad teise näitaja mõõtmisi - välist kvantefektiivsus*.

Kvantefektiivsuse* on fotonite arvu suhe, mille imendumine põhjustas kvasiosakeste tekkimise, ja kogu imendunud fotonite arvu.

Jälgitav kvanttõhusus on võrreldav teiste polaritoni LED-idega (orgaaniliste materjalide, süsiniku torude jne baasil). Samuti tasub märkida, et uuritava seadme valgust kiirgava kihi paksus on vaid 0,7 nm, samas kui teistel seadmetel on see väärtus palju suurem. Teadlased ei varja, et nende seadme kvanttõhususe näitaja pole kõige kõrgem, kuid seda saab suurendada, paigutades suurema arvu monokihti tunnelitsooni, mille vahel on peened hBN kihid.

Uurijad kontrollisid ka resonatori häire mõju EL polaritoni suhtes, valmistades veel ühe seadme, kuid tugevaama häirega (-43 meV).

Pilt nr 4

Pildil 4a On näidatud seadme EL-sid, millel on nurkade eraldusvõime voolu tihedusel 0,2 µA/mk2. Tugeva häire tõttu näitab seade selgelt pudelikaela efekti, mille emissioonide tipp toimub suurel nurga all. See kinnitatakse täiendavalt pildil 4b, kus võrreldakse selle seadme polaarsid graafikuid esimesega (2s).

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga.

Epilog

Seega kinnitavad kõik eespool kirjeldatud vaatlemised ja mõõtmised polaritoni elektroluminesentsi olemasolu vdW heterostruktuuris, mis on integreeritud optilisse mikroresonatorisse. Uurimise seadme tunnelarhitektuur võimaldab elektronide/aukude sisseviimist ja rekombineerimist WS2 monokihtis, mis toimib valgust kiirgava elemendina. Oluline on, et seadme tunnelimehhanism ei nõua komponentide dopingu, mis minimeerib kaotusi ja erinevaid temperatuuri muutusi.

On kindlaks tehtud, et EL-il on kõrge suunatus resonatori dispersiooni tõttu. Seetõttu võimaldavad resonatori kvaliteedi parendamine ja kõrgem voolu varustus suurendada mikroresonatorite LED-ide efektiivsust, samuti elektriliselt juhitavaid mikroresonatorite polaritoone ja fotonlaserite efektiivsust.

Antud teadustöö kinnitas veel kord, et ülemineku metallelementide dikulfideidel on tõeliselt ainulaadsed omadused ja lai rakenduste spekter.

Sarnased uuringud ja uuenduslikud leiutised võivad tugevalt mõjutada andmeside tehnoloogiate arengut ja levikut LED-de ja valguse kui sellise kaudu. Selliste futuristlike tehnoloogiate hulka kuulub Li-Fi, mis võib pakkuda oluliselt suuremat kiirusest kui praegu olemasolev Wi-Fi.

Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimulikuks ja head töönädalat, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse esitamise või tuttavatele soovitamisega, 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com