آینده Li-Fi: پلاریتون ها، اکسیتون ها، فوتون ها و مقداری تنگستن دی سولفید

سال‌هاست که دانشمندان از سراسر جهان دو کار انجام می‌دهند - اختراع و بهبود. و گاهی اوقات مشخص نیست که کدام دشوارتر است. به عنوان مثال، ال ای دی های معمولی را در نظر بگیرید که برای ما آنقدر ساده و معمولی به نظر می رسند که حتی به آنها توجه نمی کنیم. اما اگر چند اکسیتون، مقداری پلاریتون و تنگستن دی سولفید به طعم اضافه کنید، LED ها دیگر آنقدر معمولی نخواهند بود. همه این اصطلاحات نامفهوم نام اجزای بسیار غیرمعمولی هستند که ترکیب آنها به دانشمندان کالج شهر نیویورک اجازه می دهد تا سیستم جدیدی ایجاد کنند که قادر به انتقال اطلاعات بسیار سریع با استفاده از نور است. این توسعه به بهبود فناوری Li-Fi کمک خواهد کرد. چه مواد دقیقی از فناوری جدید استفاده شده است، دستور پخت این "ظروف" چیست و بازده عملیاتی LED جدید اکسایتون-پلاریتون چقدر است؟ گزارش دانشمندان در این مورد به ما خواهد گفت. برو

مبنای تحقیق

اگر همه چیز را به یک کلمه ساده کنیم، آنگاه این فناوری سبک است و همه چیز به آن مرتبط است. اولاً، پلاریتون ها، که هنگام تعامل فوتون ها با تحریکات محیط (فونون ها، اکسیتون ها، پلاسمون ها، میگنون ها و غیره) به وجود می آیند. ثانیاً، اکسیتون‌ها برانگیختگی‌های الکترونیکی در یک دی الکتریک، نیمه‌رسانا یا فلز هستند که در سراسر کریستال مهاجرت می‌کنند و با انتقال بار الکتریکی و جرم مرتبط نیستند.

توجه به این نکته ضروری است که این شبه ذرات سرما را بسیار دوست دارند، یعنی. فعالیت آنها فقط در دماهای بسیار پایین قابل مشاهده است که کاربرد عملی آنها را بسیار محدود می کند. اما این قبلا بود. در این کار، دانشمندان توانستند بر محدودیت دما غلبه کنند و از آنها در دمای اتاق استفاده کنند.

ویژگی اصلی پلاریتون ها توانایی اتصال فوتون ها به یکدیگر است. فوتون ها در برخورد با اتم های روبیدیم جرم می گیرند. در فرآیند برخوردهای مکرر، فوتون ها از یکدیگر جهش می کنند، اما در موارد نادری جفت و سه گانه تشکیل می دهند، در حالی که جزء اتمی را که اتم روبیدیم نشان می دهد از دست می دهند.

اما برای انجام کاری با نور، باید آن را بگیرید. برای این، یک تشدید کننده نوری مورد نیاز است، که مجموعه ای از عناصر بازتابنده است که یک موج نور ایستاده را تشکیل می دهد.

در این مطالعه، مهمترین نقش را شبه ذرات غیرمعمول تر - اکسایتون-پلاریتون ها، ایفا می کنند که به دلیل جفت شدن قوی اکسیتون ها و فوتون های به دام افتاده در یک حفره نوری تشکیل می شوند.

با این حال، این کافی نیست، زیرا به اصطلاح به یک مبنای مادی نیاز است. و چه کسی بهتر از دی‌کالکوژنید فلز واسطه (TMD) این نقش را بازی خواهد کرد؟ به طور دقیق تر، یک تک لایه WS2 (دی سولفید تنگستن) به عنوان ماده منتشر کننده استفاده شد که دارای انرژی های اتصال اکسایتون چشمگیر است که به یکی از معیارهای اصلی برای انتخاب پایه مواد تبدیل شد.

ترکیب تمام عناصری که در بالا توضیح داده شد، امکان ایجاد یک LED پلاریتون کنترل شده الکتریکی را فراهم کرد که در دمای اتاق کار می کند.

برای تحقق این دستگاه، تک لایه ای از WS2 بین موانع تونل نازک نیترید بور شش ضلعی (hBN) با لایه های گرافن که به عنوان الکترود عمل می کنند قرار می گیرد.

نتایج مطالعه

WS2 که یک دی‌کالکوژنید فلز واسطه است، همچنین یک ماده واندروالس (vdW) نازک اتمی است. این ویژگی های الکتریکی، نوری، مکانیکی و حرارتی منحصر به فرد آن را نشان می دهد.

در ترکیب با سایر مواد vdW، مانند گرافن (به عنوان یک رسانا) و نیترید بور شش ضلعی (hBN، به عنوان یک عایق)، مجموعه کاملی از دستگاه های نیمه هادی کنترل شده الکتریکی، که شامل LED ها هستند، قابل تحقق هستند. همانطور که محققان آشکارا بیان می کنند، قبلاً ترکیبات مشابهی از مواد واندروالس و پلاریتون ها محقق شده بود. با این حال، در کارهای قبلی، سیستم های حاصل پیچیده و ناقص بودند و پتانسیل کامل هر جزء را آشکار نمی کردند.

یکی از ایده هایی که از پیشینیان الهام گرفته شد، استفاده از یک پلت فرم مواد دو بعدی بود. در این مورد، می‌توان دستگاه‌هایی با لایه‌های نازک اتمی منتشر کرد که می‌توانند با سایر مواد vdW که به عنوان تماس (گرافن) و موانع تونل (hBN) عمل می‌کنند، ادغام شوند. علاوه بر این، چنین دوبعدی ترکیب LED های پلاریتون را با مواد vdW که دارای خواص مغناطیسی غیر معمول، ابررسانایی قوی و/یا انتقال های توپولوژیکی غیر استاندارد هستند، ممکن می سازد. در نتیجه چنین ترکیبی می توان نوع کاملاً جدیدی از دستگاه را به دست آورد که خواص آن می تواند کاملاً غیر معمول باشد. اما، همانطور که دانشمندان می گویند، این موضوع برای مطالعه دیگری است.

تصویر شماره 1

روی تصویر 1a یک مدل سه بعدی از دستگاهی را نشان می دهد که شبیه کیک لایه ای است. آینه بالایی تشدید کننده نوری یک لایه نقره است و آینه پایینی یک لایه 12 لایه توزیع شده است. بازتابنده براگ*. منطقه فعال شامل یک منطقه تونل است.

بازتابنده براگ توزیع شده* - ساختاری از چندین لایه که در آن ضریب شکست ماده به طور دوره ای عمود بر لایه ها تغییر می کند.

منطقه تونل از یک ساختار ناهمسان vdW متشکل از یک تک لایه WS2 (گسترش دهنده نور)، لایه های نازک hBN در دو طرف تک لایه (سد تونل) و گرافن (الکترودهای شفاف برای معرفی الکترون ها و حفره ها) تشکیل شده است.

دو لایه دیگر از WS2 برای افزایش استحکام کلی نوسانگر و در نتیجه ایجاد شکاف رابی بارزتر از حالات پلاریتون اضافه شد.

حالت عملکرد تشدید کننده با تغییر ضخامت لایه PMMA (پلی متیل متاکریلات، به عنوان مثال پلکسی گلاس) تنظیم می شود.

Изображение 1b این یک عکس فوری از یک ساختار ناهمسان vdW بر روی سطح یک بازتابنده براگ توزیع شده است. به دلیل انعکاس بالای بازتابنده براگ توزیع شده، که لایه زیرین است، ناحیه تونل در تصویر دارای کنتراست بازتابی بسیار پایینی است و در نتیجه تنها لایه hBN ضخیم بالایی مشاهده می شود.

برنامه 1 نمودار ناحیه vdW ساختار ناهمسان در هندسه تونل تحت جابجایی را نشان می دهد. هنگامی که سطح فرمی گرافن بالا (پایین) به بالای (زیر) نوار رسانایی (ظرفیت) WS2 منتقل می‌شود، الکترولومینسانس (EL) بالاتر از ولتاژ آستانه مشاهده می‌شود و به الکترون (حفره) اجازه می‌دهد تا تونل به رسانش (والانس) بزند. باند WS2. این شرایط مساعدی را برای تشکیل اکسیتون ها در لایه WS2 با نوترکیب الکترون-حفره تابشی (تابشی) بعدی ایجاد می کند.

بر خلاف ساطع کننده های نور اتصال pn که برای کار کردن به دوپینگ نیاز دارند، EL دستگاه های تونل تنها به جریان تونل بستگی دارد و از تلفات نوری و هرگونه تغییر در مقاومت ناشی از تغییرات دما جلوگیری می کند. در عین حال، معماری تونل در مقایسه با دستگاه‌های دی‌کالکوژنیدی مبتنی بر اتصالات pn، امکان انتشار ناحیه بسیار بزرگ‌تری را فراهم می‌کند.

Изображение 1d خصوصیات الکتریکی چگالی جریان تونل را نشان می دهد (J) به عنوان تابعی از ولتاژ بایاس (V) بین الکترودهای گرافن. افزایش شدید جریان برای هر دو ولتاژ مثبت و منفی نشان دهنده وقوع جریان تونل سازی در سازه است. در ضخامت بهینه لایه‌های hBN (2 نانومتر)، یک جریان تونل‌زنی قابل‌توجه و افزایش طول عمر حامل‌های تعبیه‌شده برای نوترکیبی تشعشعی مشاهده می‌شود.

قبل از انجام آزمایش الکترولومینسانس، دستگاه با بازتاب نور سفید با تفکیک زاویه ای مشخص شد تا وجود جفت اکسیتونیک قوی تایید شود.

تصویر شماره 2

روی تصویر 2a طیف‌های بازتابی تفکیک‌شده با زاویه از ناحیه فعال دستگاه نشان داده شده‌اند که رفتار ضد تلاقی را نشان می‌دهد. فوتولومینسانس (PL) نیز تحت تحریک غیر رزونانسی (460 نانومتر) مشاهده شد که گسیل شدید از شاخه پلاریتون پایینی و گسیل ضعیف تر از شاخه پلاریتون بالایی را نشان داد.2b).

بر 2 پراکندگی الکترولومینسانس پلاریتون را با نرخ تزریق 0.1 μA/μm2 نشان می دهد. تقسیم رابی و جداسازی حفره به‌دست‌آمده با برازش حالت‌های نوسانگر (خط سفید جامد و خط چین) به آزمایش EL به ترتیب ~33 meV و ~-13 meV است. جداسازی حفره به صورت δ = Ec - Ex تعریف می‌شود، که در آن Ex انرژی اکسایتون است و Ec نشان‌دهنده انرژی فوتون حفره صفر در صفحه است. برنامه 2d این یک برش در زوایای مختلف از پراکندگی الکترولومینسانس است. در اینجا، پراکندگی مدهای پلاریتون بالا و پایین با ضد تلاقی که در ناحیه تشدید اکسایتون رخ می دهد به وضوح قابل مشاهده است.

تصویر شماره 3

با افزایش جریان تونل زنی، شدت کلی EL افزایش می یابد. EL ضعیف از پلاریتون ها در نزدیکی شیفت آستانه مشاهده می شود (3a(3b).

روی تصویر 3 نمودار قطبی شدت EL را به عنوان تابعی از زاویه نشان می دهد که مخروط انتشار باریک 15± درجه را نشان می دهد. الگوی تابش برای هر دو حداقل (منحنی سبز) و حداکثر (منحنی نارنجی) جریان تحریک تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. بر 3d شدت یکپارچه برای جریان های مختلف تونل متحرک را نشان می دهد که، همانطور که از نمودار مشاهده می شود، کاملاً خطی است. بنابراین، افزایش جریان به مقادیر بالا می‌تواند منجر به پراکندگی موفقیت‌آمیز پلاریتون‌ها در امتداد شاخه پایینی و ایجاد یک الگوی انتشار بسیار باریک به دلیل تولید پلاریتون شود. با این حال، در این آزمایش به دلیل محدودیت های مرتبط با شکست دی الکتریک سد تونل hBN، امکان دستیابی به این امر وجود نداشت.

نقاط قرمز روی 3d اندازه گیری های شاخص دیگری را نشان دهید - خارجی بازده کوانتومی*.

راندمان کوانتومی* - نسبت تعداد فوتون هایی که جذب آنها باعث تشکیل شبه ذرات می شود به تعداد کل فوتون های جذب شده.

راندمان کوانتومی مشاهده شده با سایر LED های پلاریتون (بر اساس مواد آلی، لوله های کربن و غیره) قابل مقایسه است. شایان ذکر است که در دستگاه مورد مطالعه ضخامت لایه ساطع کننده نور تنها 0.7 نانومتر است در حالی که در سایر دستگاه ها این مقدار بسیار بیشتر است. دانشمندان پنهان نمی کنند که بازده کوانتومی دستگاهشان بالاترین نیست، اما می توان با قرار دادن تعداد بیشتری از تک لایه ها در داخل منطقه تونل، که توسط لایه های نازک hBN از هم جدا شده اند، آن را افزایش داد.

محققان همچنین با ساخت دستگاه دیگری، اما با جداسازی قوی‌تر (-43 مگا ولت) اثر جداسازی تشدید کننده را بر روی پلاریتون EL آزمایش کردند.

تصویر شماره 4

روی تصویر 4a طیف EL با وضوح زاویه ای چنین دستگاهی با چگالی جریان 0.2 μA/μm2 نشان داده شده است. به دلیل جداسازی قوی، دستگاه اثر تنگنای مشخصی را در EL نشان می‌دهد که حداکثر انتشار در یک زاویه بزرگ رخ می‌دهد. این موضوع در تصویر بیشتر تایید شده است 4b، که در آن نمودارهای قطبی این دستگاه با اولین مقایسه شده است (2).

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند.

خاتمه

بنابراین، تمام مشاهدات و اندازه‌گیری‌هایی که در بالا توضیح داده شد، وجود الکترولومینسانس پلاریتون را در یک ساختار ناهمسان vdW ساخته شده در یک ریزحفره نوری تأیید می‌کنند. معماری تونل دستگاه مورد مطالعه، معرفی الکترون ها/حفره ها و بازترکیب در تک لایه WS2 را تضمین می کند که به عنوان یک ساطع کننده نور عمل می کند. مهم است که مکانیسم تونل دستگاه نیازی به آلیاژ کردن اجزا نداشته باشد، که تلفات و تغییرات مختلف مربوط به دما را به حداقل می رساند.

مشخص شد که EL به دلیل پراکندگی تشدید کننده دارای جهت دهی بالایی است. بنابراین، بهبود ضریب کیفیت حفره و تحویل جریان بالاتر، کارایی LED های میکروکاویت و همچنین پلاریتون های ریزحفره ای کنترل شده الکتریکی و لیزرهای فوتونیک را بهبود می بخشد.

این کار یک بار دیگر تأیید کرد که دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه دارای خواص واقعاً منحصربه‌فرد و طیف گسترده‌ای از کاربردها هستند.

چنین تحقیقاتی و اختراعات نوآورانه ای می تواند تا حد زیادی بر توسعه و گسترش فناوری های انتقال داده با استفاده از LED و خود نور تأثیر بگذارد. چنین فناوری‌های آینده‌نگر شامل Li-Fi است که می‌تواند سرعت بسیار بالاتری نسبت به وای‌فای موجود در حال حاضر ارائه دهد.

از توجه شما متشکرم، کنجکاو بمانید و هفته خوبی برای همه داشته باشید! 🙂

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps از 20 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com