Li-Fi tulevik: polaaritondid, eksitondid, fotonid ja veidi wolframi disulfiidi

Aastate jooksul on teadlased üle kogu maailma tegelenud kahe asjaga — leiutamise ja täiustamisega. Ja mõnikord on raske öelda, mis neist on keerulisem. Võtame näiteks tavalised LED-id, mis tunduvad meile nii lihtsad ja igapäevased, et me ei pane neile üldse tähele. Kuid kui lisada neisse veidi eksitoneid, näpuotsaga polaaritone ja wolframi disulfiidi maitse järgi, ei ole LED-id enam nii igavad. Kõik need keerukad terminid viitavad äärmiselt ebatavalistele komponentidele, mille kogum võimaldas New Yorgi Linnaülikooli teadlastel luua uue süsteemi, mis suudab teavet valguse abil äärmiselt kiiresti edastada. See areng aitab täiustada Li-Fi tehnoloogiat. Milliseid koostisosade uusi tehnoloogia puhul on kasutatud, mis on selle „roa“ retsept ja kui efektiivne on uus eksiton-polaariton LED? Sellest räägib teadlaste esitlus. Alustame.

Uuringu alus

Kui võtta kõik kokku ühe sõna alla, siis on see tehnoloogia tuli ja kõik, mis sellega seondub. Esiteks, polariitonid, mis tekivad fotonite ja keskkonna eksituste (foonide, eksitonide, plasmonite, magnoni jne) vahelise interaktsiooni käigus. Teiseks, eksitonid — elektroniline eksitus dielektrikus, pooljuhtis või metallis, mis rändab kristalli kaudu ega ole seotud elektri laadimise ja massi ülekandmisega.

Oluline on märkida, et need kvasiosakesed armastavad külma, st nende aktiivsust saab jälgida ainult äärmiselt madalatel temperatuuridel, mis piirab oluliselt praktilist kasutamist. Aga see oli kunagi nii. Käesolevas töös suudavad teadlased ületada temperatuuri piirid ja kasutada neid toatemperatuuril.

Peamine omadus polariitonide juures on nende võime siduda fotosid omavahel. Fotod, mis põrkuvad rubiidiumi aatomitega, saavad massi. Korduval põrkamisel põrkuvad fotod üksteise vastu, kuid harvadel juhtudel moodustavad paarid ja tripletid, kaotades samal ajal aatomilise komponendi, mida esindab rubiidiumi aatom.

Kuid et midagi valgusega teha, tuleb see esmalt kinni püüda. Selleks on vajalik optiline resonator, mis koosneb peegeldavatest elementidest, luues seisva valguslaine.

Selles teadusuuringus mängivad tähtsat rolli veelgi ebatavalisemad kvasiosakesed — eksitoni-polaritonaid, mis moodustuvad tänu eksonite ja fotonite tugevale sidemele, mis on kinni püütud optilises resonatoris.

Kuid seda on vähe, kuna vajalik on ka materiaalse alus, nii öelda. Ja kes muu kui ülemineku metallide dibromiid (DPM) mängib seda rolli paremini. Täpsemalt öeldes, kasutati kiirgava materjalina ühekihilist WS2 (volfram disulfidi), mis omab muljetavaldavaid eksitoni sidumisse energiaid, mis oli üks peamisi kriteeriume materjali aluse valimisel.

Kõikide ülaltoodud elementide kogum võimaldas luua elektriliselt juhitava polaritoni valgusdioodi, mis töötab toatemperatuuril.

Selle seadme teostamiseks on monokiht WS2 paigutatud õhukeste heksagonaalsete tunnelbarjääride vahele, mis on valmistatud boornitriidist (hBN), samal ajal kui grafiidi kihid toimivad elektroodidena.

Uuringu tulemused

WS2, olles üleminekmetallide dikalkogeeniid, on samuti aatomipaksune Van-der-Waalsi (vdW) materjal. See viitab selle unikaalsetele elektrilistele, optilistele, mehaanilistele ja termilistele omadustele.

Koos teiste vdW materjalidega, nagu grafiit (kui juhiks) ja heksagonaalne boornitriid (hBN, kui isolatsioon), on võimalik luua hulk elektriliselt juhitavaid pooljuhtseadmeid, sealhulgas dioode. Sellised kombinatsioonid Van-der-Waalsi materjalide ja polariitonide vahel on juba varem teostatavad, nagu teadlased avameelselt väidavad. Siiski olid varasemates töödes saadud süsteemid keerulised ja ebatäiuslikud, samuti ei avaldanud nad iga koostisosade täielikku potentsiaali.

Üks idee, mille inspiratsiooniks olid eelkäijad, oli kahe mõõtmelise materjaliplatvormi kasutamine. Sel juhul on võimalik rakendada seadmeid, millel on aatomipeened emissioonikihid, mis on integreeritud teiste vdW materjalidega, mis toimivad kontaktidena (grafeen) ja tunnelbarjääride (hBN) kujul. Lisaks võimaldab selline kahemõõtmelisus ühendada polaritoni LEDid vdW-materjalidega, mis omavad ebatavalisi magnetilisi omadusi, tugevat ülivoolavust ja/või ebatavalisi topoloogilisi ülekandeid. Selle ühendamise tulemusena on võimalik saada täiesti uus seadme tüüp, mille omadused võivad olla üsna ebaharilikud. Kuid nagu teadlased ütlevad, on see teema teiseks uurimiseks.

Pilt nr 1

Pildil 1a on esitatud seadme kolmemõõtmeline mudel, mis meenutab kihilist kooki. Ülemise optilise resonatori peegli rollis on hõbedakiht ja alumise kui 12-kihiline jaotatud Brägg'i reflektor*. Aktiivses piirkonnas asub tunnelala.

Jaotatud Brägg'i reflektor* — mitu kihti sisaldav struktuur, kus materjali refraktsioonikimmus muutub perioodiliselt risti kihtidega.

Tunnelitsoon koosneb vdW heterostruktuurist, mis koosneb ühekihilisest WS2-st (valguse emitter), õhukestest hBN kihtidest kummalgi pool ükshaaval (tunnelibarjäär) ja grafiidist (läbipaistvad elektroodid elektronide ja aukude sisestamiseks).

Kokku on lisatud veel kaks WS2 kihti, et suurendada generaatori kogujõudu ja seega ka tunda tugevamalt Rabi polaritoni olekute jaotumist.

Resonaatori töörežiimi kohandatakse PMMA (polümetüülmethakülaat, st akrüülklaas) kihi paksuse muutmise teel.

Pilt 1b on vdW heterostruktuuri pilt jaotatud Braggi peegelduse pinnal. Jaotatud Braggi peegelduse kõrge peegelduse tõttu, mis on alumine kiht, on tunnelitsoonis pildil peegelduse kontrast väga madal, mistõttu on nähtav ainult ülemine paks hBN kiht.

Graafik 1s esitleb vdW heterostruktuuri diagrammi ala tunneligeomeetrias nihkes. Elektroluminestsents (EL) ilmneb üle lävi pingel, kui ülemise (alumise) grafiini Fermi tase on nihutatud üle (alla) WS2 juhtivus (valentsus) tsooni, võimaldades elektronil (auk) tunnelida WS2 juhtivus (valentsus) tsooni. See loob soodsad tingimused eksitonide moodustamiseks WS2 kihis, millele järgneb kiirguslik (emissioon) elektron-augu rekombinatsioon.

Erinevalt p-n-ühendite põhjal töötavatest valgusallikatest, mis vajavad dopingu kasutamist, sõltub tunneliseadmete EL ainult tunnelivoolust, mis võimaldab vältida optilisi kaotusi ja mistahes spetsiifilise takistuse muutusi, mis on põhjustatud temperatuuri muutumisest. Samal ajal lubab tunnelikujundus võrreldes p-n-ühendite põhjal töötavate dikalkeeni seadmetega palju suuremat emissiooniala.

Pilt 1d näitab tunnelivoolu tiheduse elektrilisi omadusi (J) nihkepinge funktsioonina (V) grafiini elektroodide vahel. Positiivse ja negatiivse pinge järsk tõus näitab tunnelivoolu tekkimist struktuuri kaudu. Optimaalse hBN kihtide paksuse (~2 nm) korral on täheldatud märkimisväärset tunnelivoolu ja sisseehitatud kandjate eluaja suurenemist kiirgusrekombinatsiooniks.

Enne elektroluminestsentskatse läbiviimist viidi tehtud seadme iseloomustamiseks läbi valge valguse peegeldumisvõimekuse mõõtmine nurga lahutusega, et kinnitada eksitonne tugeva seose olemasolu.

Pilt nr 2

Pildil 2a on näidatud aktiivse ala peegeldusspektrid nurgalahutusega, mis demonstreerib ristikreeningu takistavat käitumist. Samuti täheldati fotoluminestsentsi (PL) mitte-resonantsilisel ergastusel (460 nm), näidates intensiivset kiirgamist polaritoni alumisest harust ja nõrgemat kiirgamist polaritoni ülemisest harust.2b).

VDS-l on võimalik installida: 2c elektroluminestentsiya polaaritoni dispergeerimist näidatakse juures, kui sissetung on 0.1 μA/mk2. Rabi ja resonantsi lahknevus, mis on saadud osilaatori mode sobitamisest (täis- ja katkendlik valge joon) elektroluminestentsuse eksperimentale, on vastavalt ~33 meV ja ~-13 meV. Resonantsi lahknevus määratakse kui δ = Ec − Ex, kus Ex on eksitoni energia ja Ec tähistab fotoni energiat resonantsis nullimpulsiga tasandil. Joonis 2d on nurkade lõige elektroluminestentsuse dispergeerimisest. Siin on selgelt näha ülemise ja alumise polaaritoni modusi dispergeerimisel, kus toimub vastassuutumise eksitoni resonantsi piirkonnas.

Pilt nr 3

Tunnelvoo suurenedes suureneb kogune elektriluminestsents. Polaaritonide nõrk elektroluminestsents on nähtav lähedal läve nihkele (3a), samas kui piisava nihke korral üle läve ilmub polaaritoni emissioon selgelt (3b).

Pildil 3s kuvatakse polaarne joonis intensiivsuse ELL kohta nurga funktsiooni, kujutades kitsast emissiooni koonus ± 15°. Kiirgusdiagramm jääb praktiliselt muutumatuks nii minimaalse (roheline kõver) kui ka maksimaalse (oranž kõver) erutusvoolu korral. Siin 3d kuvatakse integreeritud intensiivsus erinevate liikuva tunnelivoolu korral, mis, nagu jooniselt näha, on piisavalt lineaarne. Seega võib voolu suurendamine kõrgete väärtusteni viia polaritoni eduka hajatamiseni alumise oksa pidi ning luua erakordselt kitsase kiirgusdiagrammi polaritoni genereerimise tõttu. Kuid selles eksperimendis ei olnud seda võimalik saavutada dielektrilise läbipääsu hBN tunnelibarjääri tõttu.

Punased punktid 3d näitavad veel ühe parameetri — välist kvantilise efektiivsuse*.

Kvantilise efektiivsuse* — osakaal fotonide arvust, mille neeldumine põhjustas kvasiosakeste moodustumise, kogunenud fotonite koguarvust.

Tuvastatud kvanttoime on võrreldav teiste polaritoni LED-ide omaga (orgaanilised materjalid, süsinikkuplid jne). Sellega seoses tuleks märkida, et uuritava seadme valguse kiirgava kihi paksus on vaid 0,7 nm, samas kui teistel seadmetel on see näitaja märkimisväärselt suurem. Teadlased ei varja, et nende seadme kvanttoime näitaja ei ole kõige kõrgem, kuid seda saab suurendada, paigutades rohkem monokihte tunnelitsooni, mida eraldavad õhukesed hBN kihid.

Uurijad kontrollisid samuti resonatori häirimise mõju polaritoni ELED-ile, valmistades veel ühe seadme, kuid tugevama häirimisega (-43 meV).

Joonis №4

Pildil 4a on näidatud, et seadme ELED spektrid on nurgalise lahutusega, vooludega 0,2 µA/mk². Tugeva häirimise tõttu demonstreerib seade selgelt pudeli kaela efekti, kus emissiooni maksimum toimub suurel nurgal. Seda kinnitatakse ka pildil 4b, kus võrreldakse selle seadme polaarskeeme esimesega (2c).

Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata teadlaste aruannet.

Epilog

Seega kinnitavad kõik ülaltoodud tähelepanekud ja mõõtmised, et vdW heterostruktuuris, mis on integreeritud optilisse mikroresonatorisse, esinevad polaritoni elektroluminestsents. Uuritud seadme tunnelistruktuur võimaldab elektronide/aukude sisseviimist ja rekombineerimist WS2 monokihis, mis toimib valguse allikana. Oluline on, et seadme tunnelimehhanism ei vaja komponentide dopingu, mis minimeerib kadu ja erinevad temperatuuriga seotud muudatused.

On kindlaks tehtud, et elektroluminestsents (ЭЛ) on kõrge suunatusega tänu resonatori dispersioonile. Seega võivad resonatori kvaliteedi parandamine ja suurem vooluandmine suurendada mikroresonatorite LED-de efektiivsust, samuti elektriliselt juhitavaid mikroresonatorite polaritone ja fotonlaserite efektiivsust.

See töö kinnitas taas, et ülemineku metallide dihalkogeene omavad tõeliselt ainulaadseid omadusi ja väga laia rakendusvaldkonda.

Sellised uuringud ja innovaatilised leiutised võivad oluliselt mõjutada andmete edastamise tehnoloogiate arengut ja levikut LED-ide ja valguse kaudu. Selliste tulevikutehnoloogiate hulka kuulub Li-Fi, mis võib pakkuda märkimisväärselt kõrgemat kiirus kui praegu olemasolev Wi-Fi.

Aitäh tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja head kogu nädalat tööle, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Soovite rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse vormistamise või soovituste jagamisega sõpradele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: Kõik VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 südamikku) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas serverit õigesti jagada? (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku 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 Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas Luua ettevõtte tasemel infrastruktuur Dell R730xd E5-2650 v4 serveritega, mille hind on 9000 eurot, madala hinnaga?

Allikas: habr.com