Paljude aastate jooksul on teadlased üle kogu maailma tegelenud kahe asjaga – leiutamise ja täiustamisega. Ja mõnikord pole selge, milline neist on raskem. Võtame näiteks tavalised LED-id, mis tunduvad meile nii lihtsad ja tavalised, et me ei pööra neile tähelepanu. Aga kui lisada maitseks mõned eksitonid, näpuotsatäis polaritoone ja volframdisulfiidi, ei ole LED-id enam nii proosalised. Kõik need abstraktsed terminid on äärmiselt ebatavaliste komponentide nimetused, mille kombinatsioon võimaldas New Yorgi linnakolledži teadlastel luua uue süsteemi, mis suudab valgust kasutades teavet ülikiiresti edastada. See areng aitab täiustada Li-Fi tehnoloogiat. Mis täpselt oli kasutatud uue tehnoloogia koostisosi, milline on selle "roa" retsept ja milline on uue eksiton-polaritoon LED-i kasutegur? Teadlaste aruanne räägib meile sellest. Mine.
Uurimistöö alus
Kui kõik ühe sõnaga lihtsustada, siis on see tehnoloogia kerge ja kõik sellega seonduv. Esiteks polaritonid, mis tekivad footonite vastasmõjul keskmiste ergastustega (fononid, eksitonid, plasmonid, magnonid jne). Teiseks on eksitonid elektrooniline ergutus dielektrikus, pooljuhis või metallis, mis migreeruvad läbi kristalli ega ole seotud elektrilaengu ja massi ülekandega.
Oluline on märkida, et need kvaasiosakesed armastavad väga külma; nende aktiivsust saab jälgida ainult ülimadalatel temperatuuridel, mis piirab tõsiselt nende praktilist rakendamist. Aga see oli enne. Selles töös suutsid teadlased ületada temperatuuripiirangud ja kasutada neid toatemperatuuril.
Polaritonide peamine omadus on võime footoneid üksteisega siduda. Rubiidiumi aatomitega põrkuvad footonid omandavad massi. Mitmete kokkupõrgete käigus põrkuvad footonid üksteisest tagasi, kuid harvadel juhtudel moodustavad nad paare ja kolmikuid, kaotades samas rubiidiumi aatomiga esindatud aatomikomponendi.
Aga selleks, et valgusega midagi peale hakata, tuleb see kinni püüda. Selleks on vaja optilist resonaatorit, mis on kombinatsioon peegeldavatest elementidest, mis moodustavad seisva valguslaine.
Selles uuringus mängivad otsustavat rolli veelgi ebatavalisemad kvaasiosakesed, eksiton-polaritonid, mis tekivad optilisse õõnsusse kinni jäänud eksitonite ja footonite tugeva sideme tõttu.
Sellest aga ei piisa, sest nii-öelda materiaalne baas on vajalik. Ja kes, kui mitte siirdemetalli dikalkogeniid (TDM), täidab seda rolli paremini kui teised. Täpsemalt, kiirgava materjalina kasutati WS2 (volframdisulfiid) monokihti, millel on muljetavaldavad eksitoni sidumisenergiad, millest sai üks põhilisi kriteeriume materjali baasi valikul.
Kõikide ülalkirjeldatud elementide kombinatsioon võimaldas luua toatemperatuuril töötava elektriliselt juhitava polariton LED-i.
Selle seadme rakendamiseks asub WS2 monokiht õhukeste kuusnurksete boornitriidi (hBN) tunnelitõkete vahel, mille grafeenikihid toimivad elektroodidena.
Uuringute tulemused
WS2, mis on siirdemetalli dikalkogeniid, on samuti aatomõhuke van der Waalsi (vdW) materjal. See näitab selle ainulaadseid elektrilisi, optilisi, mehaanilisi ja termilisi omadusi.
Koos teiste vdW materjalidega, nagu grafeen (juhina) ja kuusnurkne boornitriid (hBN, isolaatorina), saab realiseerida mitmesuguseid elektriliselt juhitavaid pooljuhtseadmeid, sealhulgas LED-e. Sarnased van der Waalsi materjalide ja polaritonide kombinatsioonid on juba varem realiseeritud, nagu teadlased avameelselt väidavad. Varasemates kirjutistes olid saadud süsteemid aga keerulised ja ebatäiuslikud ning ei paljastanud iga komponendi täit potentsiaali.
Üks eelkäijatest inspireeritud idee oli kahemõõtmelise materjaliplatvormi kasutamine. Sel juhul on võimalik realiseerida aatomõhukeste emissioonikihtidega seadmeid, mida saab integreerida teiste vdW materjalidega, mis toimivad kontaktidena (grafeen) ja tunnelitõketena (hBN). Lisaks võimaldab see kahemõõtmelisus kombineerida polariton LED-e vdW materjalidega, millel on ebatavalised magnetilised omadused, tugev ülijuhtivus ja/või ebastandardsed topoloogilised ülekanded. Sellise kombinatsiooni tulemusena saate täiesti uut tüüpi seadme, mille omadused võivad olla väga ebatavalised. Kuid nagu teadlased ütlevad, on see teise uuringu teema.
Pilt nr 1
Pildi peal 1а näitab seadme kolmemõõtmelist mudelit, mis meenutab kihilist kooki. Optilise resonaatori ülemine peegel on hõbedane kiht ja alumine 12-kihiline jaotatud peegel Braggi helkur*. Aktiivses piirkonnas on tunnelitsoon.
Jaotatud Braggi helkur* - mitmest kihist koosnev struktuur, milles materjali murdumisnäitaja muutub perioodiliselt kihtidega risti.
Tunnelitsoon koosneb vdW heterostruktuurist, mis koosneb WS2 monokihist (valgusemiter), õhukestest hBN kihtidest mõlemal pool monokihti (tunneli barjäär) ja grafeenist (läbipaistvad elektroodid elektronide ja aukude sisestamiseks).
Lisati veel kaks WS2 kihti, et suurendada ostsillaatori üldist tugevust ja seega saavutada polaritoni olekute selgem Rabi poolitus.
Resonaatori töörežiimi häälestamine toimub PMMA kihi (polümetüülmetakrülaat ehk pleksiklaas) paksuse muutmisega.
Изображение 1b see on hetktõmmis vdW heterostruktuurist hajutatud Braggi reflektori pinnal. Tänu hajutatud Braggi reflektori, mis on alumine kiht, suure peegelduvuse tõttu on tunnelitsoonil pildil väga madal peegelduskontrast, mille tulemusena on vaadeldav ainult hBN ülemine paks kiht.
Ajakava 1c kujutab vdW heterostruktuuri tsooni diagrammi tunneli geomeetrias nihke all. Elektroluminestsentsi (EL) täheldatakse lävipingest kõrgemal, kui ülemise (alumise) grafeeni Fermi tase nihutatakse WS2 juhtivuse (valentsi) ribast kõrgemale (alla), võimaldades elektronil (auk) tunneldada WS2 juhtivusse (valentsi) bänd. See loob soodsad tingimused eksitonite moodustumiseks WS2 kihis, millele järgneb radiatiivne (kiirgus) elektron-augu rekombinatsioon.
Erinevalt pn-siirtel põhinevatest valguskiirguritest, mille tööks on vaja dopingut, sõltub tunneliseadmete EL ainult tunneli voolust, mis väldib optilisi kadusid ja temperatuurimuutustest põhjustatud takistuse muutusi. Samas võimaldab tunneli arhitektuur palju suuremat kiirgusala võrreldes pn-siirtel põhinevate dikalkogeniidseadmetega.
Изображение 1d näitab tunneli voolutiheduse elektrilisi omadusi (J) eelpinge funktsioonina (V) grafeenelektroodide vahel. Voolu järsk tõus nii positiivse kui ka negatiivse pinge korral näitab tunnelvoolu tekkimist läbi konstruktsiooni. hBN kihtide optimaalse paksuse (~ 2 nm) korral täheldatakse märkimisväärset tunnelivoolu ja kiirgusliku rekombinatsiooni jaoks implanteeritud kandjate eluea pikenemist.
Enne elektroluminestsentskatset iseloomustati seadet valge valguse peegeldumisega nurkeraldusvõimega, et kinnitada tugeva eksitoni sidumise olemasolu.
Pilt nr 2
Pildi peal 2а kuvatakse seadme aktiivse piirkonna nurgaga lahutatud peegeldusspektrid, mis näitavad ristumisevastast käitumist. Fotoluminestsentsi (PL) täheldati ka mitteresonantse ergastusega (460 nm), mis näitas intensiivset emissiooni polaritoni alumisest harust ja nõrgemat emissiooni polaritoni ülemisest harust (2b).
Edasi 2c polaritoni elektroluminestsentsi dispersioon on näidatud sisestuse korral 0.1 μA/μm2. Rabi poolitamine ja resonaatori detuning, mis saadakse ostsillaatori režiimide (tahke ja punktiir valge joon) elektroluminestsentskatsega sobitamisega, on vastavalt ～33 meV ja ～-13 meV. Resonaatori detuning on määratletud kui δ = Ec − Ex, kus Ex on eksitoni energia ja Ec on resonaatori footoni energia nulltasandilise impulsiga. Ajakava 2d see on elektroluminestseeruvast dispersioonist erinevate nurkade all tehtud lõige. Siin on selgelt näha ülemise ja alumise polaritoni režiimi dispersioon koos eksitoni resonantstsoonis toimuva ristumisega.
Pilt nr 3
Tunnelivoolu suurenedes suureneb EL-i summaarne intensiivsus. Polaritonide nõrka EL-i täheldatakse läve nihke lähedal (3а), kuigi piisavalt suurel nihkel üle läve, muutub polaritoni emissioon selgeks (3b).
Pildi peal 3c kujutab EL-i intensiivsuse polaargraafikut nurga funktsioonina, mis kujutab kitsast emissioonikoonust ± 15°. Kiirgusmuster jääb praktiliselt muutumatuks nii minimaalse (roheline kõver) kui ka maksimaalse (oranž kõver) ergutusvoolu puhul. Peal 3d integreeritud intensiivsus on näidatud erinevate liikuvate tunnelivoolude jaoks, mis, nagu graafikult näha, on üsna lineaarne. Seetõttu võib voolu suurendamine kõrgetele väärtustele viia polaritonide eduka hajumiseni piki alumist haru ja luua polaritonide tekke tõttu äärmiselt kitsa kiirgusmustri. Kuid selles katses ei olnud see hBN tunnelibarjääri dielektrilise purunemisega seotud piirangu tõttu võimalik.
punased täpid peal 3d näita teise indikaatori – välise – mõõtmisi kvanttõhusus*.
Kvantefektiivsus* on nende footonite arvu suhe, mille neeldumine põhjustas kvaasiosakeste moodustumise, neeldunud footonite koguarvusse.
Täheldatud kvantefektiivsus on võrreldav teiste polaritoon-LED-dega (põhineb orgaanilistel materjalidel, süsiniktorudel jne). Tuleb märkida, et valgust kiirgava kihi paksus on uuritavas seadmes vaid 0.7 nm, samas kui teistes seadmetes on see väärtus palju suurem. Teadlased ei varja, et nende seadme kvantefektiivsuse indeks ei ole kõrgeim, kuid seda saab tõsta, asetades tunnelitsooni sisse suurema hulga monokihte, mis on eraldatud õhukeste hBN kihtidega.
Teadlased testisid ka resonaatori detuningi mõju polariton EL-ile, valmistades teise seadme, kuid tugevama detuuninguga (-43 meV).
Pilt nr 4
Pildi peal 4а EL-spektrid on näidatud sellise seadme nurkeraldusvõimega voolutiheduse 0.2 μA/μm2 juures. Tugeva häälestuse tõttu on seadmel EL-s väljendunud pudelikaela efekt, mille emissioonimaksimium tekib suure nurga all. Seda kinnitab ka pilt. 4b, kus selle seadme polaargraafikuid võrreldakse esimesega (2c).
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata .
Epiloog
Seega kinnitavad kõik ülaltoodud tähelepanekud ja mõõtmised polaritoni elektroluminestsentsi olemasolu optilisse mikroõõnsusse põimitud vdW heterostruktuuris. Uuritava seadme tunneliarhitektuur tagab elektronide/aukude sissetoomise ja rekombinatsiooni WS2 monokihis, mis toimib valguse kiirgajana. Oluline on, et seadme tunnelmehhanism ei nõuaks komponentide legeerimist, mis minimeerib kadusid ja erinevaid temperatuuriga seotud muutusi.
Leiti, et EL-il on resonaatori hajuvuse tõttu suur suunavus. Seetõttu parandab resonaatori kvaliteediteguri parandamine ja suurem vooluvarustus mikroõõnsusega LED-ide, aga ka elektriliselt juhitavate mikroõõnsusega polaritonide ja footonlaserite efektiivsust.
See töö kinnitas veel kord, et siirdemetallide dikalkogeniididel on tõeliselt ainulaadsed omadused ja väga lai kasutusala.
Sellised uuringud ja uuenduslikud leiutised võivad suurel määral mõjutada andmeedastustehnoloogiate arendamist ja levitamist LED-ide ja valguse enda kaudu. Selliste futuristlike tehnoloogiate hulka kuulub Li-Fi, mis suudab pakkuda oluliselt suuremat kiirust kui praegu saadaval olev Wi-Fi.
Täname tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja ilusat nädalat kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com