Urte asko daramatzate mundu osoko zientzialariek bi gauza egiten: asmatzen eta hobetzen. Eta batzuetan ez dago argi zein den zailagoa. Hartu, adibidez, LED arruntak, hain sinpleak eta arruntak iruditzen zaizkigunak ez diegu kasurik egiten. Baina kitzitoi batzuk gehitzen badituzu, polariton pixka bat eta wolframio disulfuroa dastatzeko, LEDak ez dira hain prosaikoak izango. Termino abstruso horiek guztiak oso ezohiko osagaien izenak dira, eta horien konbinazioari esker, New Yorkeko City College-ko zientzialariek argia erabiliz informazioa oso azkar transmititzeko gai den sistema berri bat sortzeko aukera izan zuten. Garapen honek Li-Fi teknologia hobetzen lagunduko du. Teknologia berriaren zein osagai zehatz erabili ziren, zein da "plater" honen errezeta eta zein da exciton-polariton LED berriaren funtzionamendu-eraginkortasuna? Zientzialarien txostenak horren berri emango digu. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
Hitz bakarrean dena sinplifikatzen badugu, teknologia hau arina da eta harekin lotuta dagoen guztia. Lehenik eta behin, polaritoiak, fotoiak medioaren kitzikapenekin (fonoiak, kitzitoiak, plasmoiak, magnoiak, etab.) elkarreraginean sortzen direnak. Bigarrenik, kitzitoiak kristalean zehar migratzen duten dielektriko, erdieroale edo metal bateko kitzikapen elektronikoak dira eta ez daude karga elektrikoaren eta masaren transferentziarekin lotuta.
Garrantzitsua da kuasipartikula hauek hotza asko maite dutela, hau da. Haien jarduera oso tenperatura baxuetan bakarrik ikus daiteke, eta horrek asko mugatzen du haien aplikazio praktikoa. Baina hori lehenago zen. Lan honetan, zientzialariek tenperaturaren muga gainditzeko eta giro-tenperaturan erabiltzeko gai izan ziren.
Polaritonen ezaugarri nagusia fotoiak elkarren artean lotzeko gaitasuna da. Rubidio atomoekin talka egiten duten fotoiek masa hartzen dute. Talka errepikatuen prozesuan, fotoiak elkarrengandik errebotatzen dira, baina kasu bakanetan bikoteak eta hirukoteak osatzen dituzte, rubidio atomoak adierazten duen osagai atomikoa galtzen duten bitartean.
Baina argiarekin zerbait egiteko, harrapatu egin behar duzu. Horretarako, erresonatzaile optiko bat behar da, hau da, argi-uhin geldikoa osatzen duten elementu islatzaileen multzoa.
Ikerketa honetan, rol garrantzitsuena are ezohiko kuasipartikulak betetzen dute -exziton-polaritonak, barrunbe optiko batean harrapatutako kitzitoien eta fotoien akoplamendu sendoaren ondorioz sortzen direnak.
Hala ere, hori ez da nahikoa, oinarri materiala behar delako, nolabait esateko. Eta trantsizio-metal dikalkogenuroak (TMD) baino hoberik nork beteko du rol hori? Zehatzago esanda, WS2 (tungsteno-disulfuroa) monogeruza bat erabili zen igorle-material gisa, kitzitoi lotze-energia ikusgarriak dituena, materialaren oinarria aukeratzeko irizpide nagusietako bat bihurtu zena.
Goian deskribatutako elementu guztien konbinazioari esker, giro-tenperaturan funtzionatzen duen elektrikoki kontrolatutako LED polariton bat sortzea posible da.
Gailu hau gauzatzeko, WS2 monogeruza bat boro nitruro hexagonal meheen (hBN) tunel-hesien artean sartzen da grafeno-geruzak elektrodo gisa jarduten dutenak.
Ikerketaren emaitzak
WS2, trantsizio metaleko dikalkogenuroa izanik, atomikoki mehea den van der Waals (vdW) materiala ere bada. Horrek bere propietate elektriko, optiko, mekaniko eta termiko bereziez hitz egiten du.
Beste vdW material batzuekin konbinatuta, hala nola, grafenoa (eroale gisa) eta boro nitruro hexagonala (hBN, isolatzaile gisa), elektrikoki kontrolatutako gailu erdieroaleen multzo osoa gauzatu daiteke, LEDak barne. Van der Waals materialen eta polaritonen antzeko konbinazioak lehenago ere gauzatu dira, ikertzaileek argi eta garbi adierazten dutenez. Hala ere, aurreko lanetan, ondoriozko sistemak konplexuak eta inperfektuak ziren, eta ez zuten osagai bakoitzaren ahalmen osoa agerian uzten.
Aurrekoek inspiratutako ideietako bat bi dimentsioko material plataformaren erabilera izan zen. Kasu honetan, posible da atomikoki isuri-geruza meheak dituzten gailuak egitea, kontaktu (grafenoa) eta tunel-hesiak (hBN) gisa jarduten duten beste vdW material batzuekin integra daitezkeenak. Gainera, bi dimentsio horrek polariton LEDak ezohiko propietate magnetikoak, supereroankortasun handia edota transferentzia topologiko ez-estandarrak dituzten vdW materialekin konbinatzea ahalbidetzen du. Halako konbinazio baten ondorioz, gailu mota guztiz berria lor daiteke, zeinen propietateak nahiko ezohikoak izan daitezke. Baina, zientzialariek diotenez, hau beste ikerketa baterako gaia da.
Irudia #1
Irudian 1a geruza tarta baten antza duen gailu baten hiru dimentsioko eredua erakusten du. Erresonatzaile optikoaren goiko ispilua zilarrezko geruza bat da eta beheko ispilua 12 geruza banatuta. Bragg islatzailea*. Eskualde aktiboak tunel-eremu bat dauka.
Banatutako Bragg islatzailea* - Materialaren errefrakzio-indizea aldizka geruzekiko perpendikularki aldatzen den hainbat geruzaz osatutako egitura.
Tunel-eremuak WS2 monogeruza (argi-igorlea), monogeruzaren bi aldeetan hBN geruza mehez (tunel-hesia) eta grafenoz (elektrodo gardenak eta zuloak sartzeko elektrodo gardenak) osatzen duten vdW heteroegituraz osatuta dago.
WS2-ren bi geruza gehiago gehitu ziren osziladorearen indar orokorra handitzeko eta, beraz, polariton-egoeren Rabi zatiketa nabarmenagoa sortzeko.
Erresonagailuaren funtzionamendu-modua PMMA geruzaren lodiera aldatuz doitzen da (polimetil metakrilatoa, hau da, plexiglasa).
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b Hau Bragg islatzaile banatu baten gainazaleko vdW heteroegitura baten argazkia da. Banatutako Bragg islatzailearen erreflektibitate handia dela eta, hau da, beheko geruza denez, irudiko tunel-eremuak islapen-kontraste oso baxua du, eta ondorioz, goiko hBN geruza lodia bakarrik ikusten da.
Ordutegiak 1c desplazamendupean tunelaren geometrian heteroegituraren vdW zona diagrama adierazten du. Elektrolumineszentzia (EL) atalasearen tentsioaren gainetik ikusten da goiko (beheko) grafenoaren Fermi maila WS2-ren eroapen (balentzia) bandaren gainetik (behean) desplazatzen denean, elektroi bat (zuloa) eroalean (balentzia) tunelean sartzeko aukera emanez. WS2-ren banda. Horrek baldintza onak sortzen ditu WS2 geruzan kitzitoiak eratzeko, ondorengo elektroi-zulo birkonbinazio erradiatiboarekin (erradiatiboa).
Pn junction argi-igorleek ez bezala, funtzionatzeko dopa behar dutenek, tuneleko gailuetako EL tunelaren korrontearen araberakoa da soilik, eta tenperatura-aldaketek eragindako galera optikoen eta erresistentzia-aldaketaren edozein aldaketa saihestuz. Aldi berean, tunelaren arkitekturak igorpen-eskualde askoz handiagoa ahalbidetzen du, pn junturetan oinarritutako dikalkogenido gailuekin alderatuta.
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1d tunelaren korronte-dentsitatearen ezaugarri elektrikoak erakusten ditu (J) polarizazio tentsioaren arabera (V) grafenozko elektrodoen artean. Tentsio positibo zein negatiboetarako korronte handitzeak egituran zehar tunel-korrontea gertatzen dela adierazten du. hBN geruzen lodiera optimoan (~ 2 nm), tunel-korronte esanguratsua eta birkonbinazio erradiaziorako txertatutako eramaileen bizitza-denbora handitzea ikusten da.
Elektrolumineszentzia esperimentua egin baino lehen, gailuak angelu-ebatzitako argi zuriaren islatasuna ezaugarritu zuen, akoplamendu kizitoniko indartsuaren presentzia baieztatzeko.
Irudia #2
Irudian 2a Gailuaren eskualde aktiboko angelu bidez ebatzitako islada-espektroak erakusten dira, gurutzatzearen aurkako portaera erakutsiz. Fotolumineszentzia (PL) erresonantziarik gabeko kitzikapenean (460 nm) ere ikusi zen, beheko polariton adarraren igorpen bizia eta goiko polariton adarraren igorpen ahulagoa erakutsiz (2b).
On 2c polariton elektrolumineszentziaren sakabanaketa erakusten du 0.1 ΞΌA/ΞΌm2-ko injekzio-abiaduran. EL esperimentuari osziladore moduak (lerro zuri trinkoa eta etena) egokituz lortutako Rabi zatiketa eta barrunbearen desatonizazioa ο½33 meV eta ο½-13 meV dira, hurrenez hurren. Barrunbearen desintonizazioa Ξ΄ = Ec β Ex honela definitzen da, non Ex kitzitoien energia den eta Ec planoko zero momentuko barrunbearen fotoiaren energia adierazten du. Ordutegia 2d Dispertsio elektroluminiszentearen angelu desberdinetako mozketa da. Hemen, goiko eta beheko polariton moduen sakabanaketa argi eta garbi ikusten da kitzitoien erresonantzia eremuan gertatzen den antigurutzaketarekin.
Irudia #3
Tunelaren korrontea handitzen den heinean, EL intentsitate orokorra handitzen da. Polaritoien EL ahula ikusten da atalasearen aldaketatik gertu (3a), atalasearen gainetik nahiko desplazamendu handian dagoen bitartean, polaritonen igorpena bereizten da (3b).
Irudian 3c EL intentsitatearen diagrama polar bat erakusten du angeluaren arabera, Β±15Β°-ko igorpen-kono estu bat irudikatuz. Erradiazio-eredua ia aldatu gabe geratzen da kitzikapen-korronte minimorako (kurba berdea) zein maximorako (kurba laranjarako). On 3d Hainbat tunel-korronte mugikorren intentsitate integratua erakusten du, grafikoan ikus daitekeenez, nahiko lineala dena. Hori dela eta, korrontea balio handietara igotzeak polaritonak beheko adarrean zehar sakabanatzea ekar dezake eta igorpen eredu oso estua sor dezake polaritonen sorreraren ondorioz. Hala ere, esperimentu honetan ezin izan da hori lortu hBN tunelaren hesiaren matxura dielektrikoarekin lotutako mugagatik.
Puntu gorriak piztuta 3d beste adierazle baten neurriak erakutsi - kanpokoa eraginkortasun kuantikoa*.
Eraginkortasun kuantikoa* β Xurgatutako fotoi kopuru osoaren arteko erlazioa, hauen xurgapenak kuasipartikulak sortzea eragin zuen fotoi kopurua.
Behatutako eraginkortasun kuantikoa beste polariton LED batzuetan (material organikoetan, karbono-hodietan, etab.etan oinarrituta) parekoa da. Azpimarratzekoa da aztergai dugun gailuan argia igortzen duen geruzaren lodiera 0.7 nm baino ez dela, beste gailu batzuetan balio hori askoz ere handiagoa dela. Zientzialariek ez dute ezkutatzen euren gailuaren eraginkortasun kuantikoa ez dela altuena, baina tunel-eremuaren barruan monogeruza kopuru handiagoa jarriz handitu daiteke, hBN geruza meheek bereizita.
Ikertzaileek polariton EL-en erresonadorearen desatonizazioaren eragina ere probatu zuten, beste gailu bat eginez, baina desatonizazio indartsuago batekin (-43 meV).
Irudia #4
Irudian 4a Horrelako gailu baten bereizmen angeluarra duten EL espektroak 0.2 ΞΌA/ΞΌm2-ko korronte-dentsitatean erakusten dira. Desatonizazio indartsua dela eta, gailuak botila-lepoko efektu nabarmena erakusten du EL-n, emisio maximoa angelu handi batean gertatzen delarik. Hori gehiago berresten da irudian 4b, non gailu honen grafiko polarrak lehenengoarekin alderatzen diren (2c).
Ikerketaren Γ±abardurak zehatzago ezagutzeko, begiratzea gomendatzen dut .
Epilogoa
Beraz, goian deskribatutako behaketa eta neurketa guztiek polariton elektrolumineszentziaren presentzia berresten dute mikrobarrubi optiko batean eraikitako vdW heteroegitura batean. Aztergai dugun gailuaren tunel-arkitekturak elektroiak/zuloak eta birkonbinazioa WS2 monogeruza batean sartzea bermatzen du, argi-igorle gisa balio duena. Garrantzitsua da gailuaren tunel-mekanismoak osagaien aleaziorik behar ez izatea, eta horrek galerak eta tenperaturarekin lotutako hainbat aldaketa minimizatzen ditu.
ELk zuzenbide handia duela aurkitu zen, erresonagailuaren sakabanaketa dela eta. Hori dela eta, barrunbearen kalitate-faktorea hobetzeak eta korronte handiagoa emateak mikrobarrunbeen LEDen eraginkortasuna hobetuko du, baita elektrikoki kontrolatutako mikrobarrunbeen polaritonak eta laser fotonikoak ere.
Lan honek berretsi zuen beste behin trantsizio metaleko dikalkogenidoek propietate benetan bereziak eta aplikazio sorta oso zabala dutela.
Ikerketa eta asmakizun berritzaile horiek asko eragin dezakete datu-transmisioko teknologien garapenean eta hedapenean, LEDak eta argia bera erabiliz. Teknologia futurista horien artean Li-Fi daude, gaur egun eskuragarri dagoen Wi-Fia baino abiadura nabarmen handiagoak eman ditzakeena.
Eskerrik asko zure arretagatik, jakin-min egon zaitez eta aste ona izan denoi! π
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, % 30eko deskontua Habr erabiltzaileentzat sarrera-mailako zerbitzarien analogo berezi batean, guk zuk asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com