Monien vuosien ajan tiedemiehet ympäri maailmaa ovat tehneet kahta asiaa - keksineet ja parantaneet. Ja joskus ei ole selvää, kumpi näistä on vaikeampi. Otetaan esimerkiksi tavalliset LEDit, jotka näyttävät meistä niin yksinkertaisilta ja tavallisilta, että emme edes kiinnitä niihin huomiota. Mutta jos lisäät muutaman eksitonin, ripaus polaritoneja ja volframidisulfidia maun mukaan, LEDit eivät ole enää niin proosaisia. Kaikki nämä käsittämättömät termit ovat äärimmäisen epätavallisten komponenttien nimiä, joiden yhdistelmä mahdollisti New Yorkin City Collegen tutkijat luomaan uuden järjestelmän, joka pystyy välittämään tietoa erittäin nopeasti valon avulla. Tämä kehitys auttaa parantamaan Li-Fi-tekniikkaa. Mitä uuden teknologian ainesosia tarkalleen käytettiin, mikä on tämän "ruoan" resepti ja mikä on uuden eksitoni-polaritoni-LEDin toimintateho? Tutkijoiden raportti kertoo meille tästä. Mennä.
Tutkimuspohja
Jos yksinkertaistamme kaiken yhteen sanaan, tämä tekniikka on kevyttä ja kaikki siihen liittyvä. Ensinnäkin polaritonit, joita syntyy, kun fotonit ovat vuorovaikutuksessa väliaineen viritteiden kanssa (fononit, eksitonit, plasmonit, magnonit jne.). Toiseksi eksitonit ovat elektronisia viritteitä eristeessä, puolijohteessa tai metallissa, jotka kulkeutuvat läpi kiteen eivätkä liity sähkövarauksen ja massan siirtoon.
On tärkeää huomata, että nämä kvasihiukkaset rakastavat kovasti kylmää, ts. Niiden aktiivisuutta voidaan havaita vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa, mikä rajoittaa suuresti niiden käyttöä käytännössä. Mutta se oli ennen. Tässä työssä tutkijat pystyivät voittamaan lämpötilarajoituksen ja käyttämään niitä huoneenlämmössä.
Polaritonien pääominaisuus on kyky sitoa fotoneja toisiinsa. Rubidiumatomien kanssa törmäävät fotonit hankkivat massaa. Toistuvissa törmäyksissä fotonit pomppaavat pois toisistaan, mutta harvoissa tapauksissa ne muodostavat pareja ja kolmoiskappaleita menettäen samalla rubidiumatomin edustaman atomikomponentin.
Mutta tehdäksesi jotain valolla, sinun on otettava se kiinni. Tätä varten tarvitaan optinen resonaattori, joka on joukko heijastavia elementtejä, jotka muodostavat seisovan valoaallon.
Tässä tutkimuksessa tärkein rooli on vielä epätavallisemmilla kvasihiukkasilla - eksitoni-polaritoneilla, jotka muodostuvat optiseen onteloon jääneiden eksitonien ja fotonien voimakkaasta kytkennästä.
Tämä ei kuitenkaan riitä, sillä aineellista perustaa tarvitaan niin sanotusti. Ja kuka parempi kuin siirtymämetallidikalkogenidi (TMD) näyttelee tätä roolia? Tarkemmin sanottuna emittoivana materiaalina käytettiin WS2 (volframidisulfidi) yksikerrosta, jolla on vaikuttavat eksitonin sitoutumisenergiat, josta tuli yksi pääkriteereistä materiaalipohjan valinnassa.
Kaikkien yllä kuvattujen elementtien yhdistelmä mahdollisti sähköisesti ohjatun huoneenlämpötilassa toimivan polariton-LEDin luomisen.
Tämän laitteen toteuttamiseksi yksikerros WS2:ta asetetaan ohuiden kuusikulmaisten boorinitridi (hBN) tunnelin esteiden väliin, ja grafeenikerrokset toimivat elektrodeina.
Tutkimuksen tulokset
WS2, joka on siirtymämetallidikalkogenidi, on myös atomiohut van der Waals (vdW) -materiaali. Tämä kertoo sen ainutlaatuisista sähköisistä, optisista, mekaanisista ja lämpöominaisuuksista.
Yhdessä muiden vdW-materiaalien, kuten grafeenin (johtimena) ja kuusikulmainen boorinitridin (hBN, eristeenä), kanssa voidaan toteuttaa koko joukko sähköisesti ohjattuja puolijohdelaitteita, joihin kuuluu LEDejä. Vastaavia van der Waalsin materiaalien ja polaritonien yhdistelmiä on toteutettu jo aiemminkin, kuten tutkijat avoimesti toteavat. Aiemmissa töissä tuloksena saadut järjestelmät olivat kuitenkin monimutkaisia ja epätäydellisiä, eivätkä ne paljastaneet jokaisen komponentin kaikkia mahdollisuuksia.
Yksi edeltäjien inspiroima ideoista oli kaksiulotteisen materiaalialustan käyttö. Tällöin on mahdollista toteuttaa atomin ohuilla emissiivisillä kerroksilla varustettuja laitteita, jotka voidaan integroida muihin vdW-materiaaleihin, jotka toimivat koskettimina (grafeeni) ja tunnelin esteinä (hBN). Lisäksi tällainen kaksiulotteisuus mahdollistaa polariton-LEDien yhdistämisen vdW-materiaaleihin, joilla on epätavalliset magneettiset ominaisuudet, vahva suprajohtavuus ja/tai epästandardi topologiset siirrot. Tällaisen yhdistelmän tuloksena voidaan saada täysin uudenlainen laite, jonka ominaisuudet voivat olla melko epätavallisia. Mutta kuten tiedemiehet sanovat, tämä on toisen tutkimuksen aihe.
Kuva #1
Kuvan päällä 1a näyttää kolmiulotteisen mallin laitteesta, joka muistuttaa kerroskakkua. Optisen resonaattorin yläpeili on hopeakerros ja alapeili on 12-kerroksinen. Bragg heijastin*. Aktiivinen alue sisältää tunnelialueen.
Hajautettu Bragg-heijastin* - useiden kerrosten rakenne, jossa materiaalin taitekerroin muuttuu ajoittain kohtisuorassa kerroksiin nähden.
Tunnelivyöhyke koostuu vdW-heterorakenteesta, joka koostuu yksikerroksisesta WS2-kerroksesta (valosäteilijä), ohuista hBN-kerroksista yksikerroksen molemmilla puolilla (tunnelisulku) ja grafeenista (läpinäkyvät elektrodit elektronien ja reikien tuomiseen).
Lisättiin kaksi WS2-kerrosta lisäämään oskillaattorin kokonaisvoimakkuutta ja siten polaritonitilojen selvempää Rabi-jakoa.
Resonaattorin toimintatapaa säädetään muuttamalla PMMA-kerroksen (polymetyylimetakrylaatti eli pleksi) paksuutta.
Изображение 1b Tämä on tilannekuva vdW-heterorakenteesta hajautetun Bragg-heijastimen pinnalla. Hajautetun Bragg-heijastimen, joka on alin kerros, korkean heijastavuuden vuoksi kuvan tunnelivyöhykkeellä on erittäin alhainen heijastuskontrasti, jolloin havaitaan vain ylin paksu hBN-kerros.
Aikataulu 1s edustaa vdW-heterorakenteen vyöhykekaaviota tunnelin geometriassa siirtymän alaisena. Elektroluminesenssia (EL) havaitaan kynnysjännitteen yläpuolella, kun ylemmän (alemman) grafeenin Fermi-taso siirretään WS2-johtavuuskaistan (valenssi) yläpuolelle (alalle), jolloin elektroni (reikä) voi tunneloida WS2-johtumiseen (valenssiin). bändi. Tämä luo suotuisat olosuhteet eksitonien muodostumiselle WS2-kerroksessa, jota seuraa säteily (säteily) elektronireikä rekombinaatio.
Toisin kuin pn-liitokseen perustuvat valonlähteet, jotka vaativat toimiakseen seostuksen, tunnelilaitteiden EL riippuu yksinomaan tunnelin virrasta, mikä välttää optiset häviöt ja lämpötilamuutosten aiheuttamat resistiivisyyden muutokset. Samalla tunneliarkkitehtuuri mahdollistaa paljon suuremman säteilyalueen verrattuna pn-liitokseen perustuviin dikalkogenidilaitteihin.
Изображение 1d osoittaa tunnelointivirrantiheyden sähköiset ominaisuudet (J) esijännitteen funktiona (V) grafeenielektrodien välissä. Jyrkkä virran nousu sekä positiivisella että negatiivisella jännitteellä osoittaa tunnelointivirran esiintymisen rakenteen läpi. hBN-kerrosten optimaalisella paksuudella (~ 2 nm) havaitaan merkittävä tunnelointivirta ja säteilyrekombinaatioon istutettujen kantajien eliniän pidentyminen.
Ennen elektroluminesenssikoetta laitteelle luonnehdittiin valkoisen valon heijastavuus kulmaresoluutiolla vahvan eksitonisitoutumisen vahvistamiseksi.
Kuva #2
Kuvan päällä 2a Näytössä näkyvät laitteen aktiivisen alueen kulmaerotetut heijastusspektrit, jotka osoittavat risteytymistä estävän käyttäytymisen. Fotoluminesenssia (PL) havaittiin myös ei-resonoivassa virityksessä (460 nm), mikä osoitti voimakasta emissiota alemmasta polaritonihaarasta ja heikompaa emissiota ylemmästä polaritonihaarasta (2b).
Päälle 2s esittää polaritonielektroluminesenssin dispersion injektionopeudella 0.1 μA/μm2. Rabin halkaisu ja resonaattorin viritys, jotka saadaan sovittamalla oskillaattorimoodit (yhtenäinen ja katkoviiva valkoinen viiva) elektroluminesenssikokeeseen, ovat ～33 meV ja ～-13 meV, vastaavasti. Resonaattorin viritys määritellään seuraavasti: δ = Ec − Ex, missä Ex on eksitonienergia ja Ec on resonaattorin fotonienergia, jonka liikemäärä on nolla. Ajoittaa 2d se on leikkaus eri kulmissa elektroluminesenssidispersiosta. Tässä on selvästi näkyvissä ylemmän ja alemman polaritonimoodin dispersio eksitoniresonanssivyöhykkeellä tapahtuvan antiristityksen kanssa.
Kuva #3
Tunnelointivirran kasvaessa EL:n kokonaisintensiteetti kasvaa. Heikko EL polaritoneista havaitaan lähellä kynnyssiirtymää (3a), kun taas riittävän suurella siirtymällä kynnyksen yläpuolelle, polaritoniemissio erottuu (3b).
Kuvan päällä 3s esittää polaarisen käyrän EL-intensiteetistä kulman funktiona, joka kuvaa kapeaa emissiokartiota ±15°. Säteilykuvio pysyy käytännössä muuttumattomana sekä minimi (vihreä käyrä) että maksimi (oranssi käyrä) viritysvirran osalta. Päällä 3d näyttää integroidun intensiteetin eri liikkuville tunnelivirroille, joka, kuten käyrästä näkyy, on melko lineaarinen. Siksi virran lisääminen korkeisiin arvoihin voi johtaa polaritonien onnistuneeseen siroamiseen alahaaraa pitkin ja luoda erittäin kapean emissiokuvion polaritonien muodostumisen vuoksi. Tässä kokeessa tätä ei kuitenkaan ollut mahdollista saavuttaa hBN-tunnelin esteen dielektriseen hajoamiseen liittyvän rajoituksen vuoksi.
Punaiset pisteet päällä 3d näyttää toisen indikaattorin - ulkoisen - mittaukset kvanttitehokkuus*.
Kvanttitehokkuus* on niiden fotonien lukumäärän suhde, joiden absorptio aiheutti kvasihiukkasten muodostumisen, absorboituneiden fotonien kokonaismäärään.
Havaittu kvanttitehokkuus on verrattavissa muiden polaritoni-LEDien (perustuu orgaanisiin materiaaleihin, hiiliputkiin jne.) vastaavaan. On syytä huomata, että tutkittavassa laitteessa valoa säteilevän kerroksen paksuus on vain 0.7 nm, kun taas muissa laitteissa tämä arvo on paljon suurempi. Tutkijat eivät piilota sitä tosiasiaa, että heidän laitteensa kvanttitehokkuus ei ole korkein, mutta sitä voidaan lisätä sijoittamalla tunnelivyöhykkeen sisälle suurempi määrä yksikerroksisia kerroksia, jotka erotetaan ohuilla hBN-kerroksilla.
Tutkijat testasivat myös resonaattorin virityksen vaikutusta polaritonin EL:ään tekemällä toinen laite, mutta vahvemmalla virityksellä (-43 meV).
Kuva #4
Kuvan päällä 4a Sellaisen laitteen EL-spektrit kulmaresoluutiolla esitetään virrantiheydellä 0.2 μA/μm2. Voimakkaasta virityksestä johtuen laitteessa on selvä pullonkaulavaikutus EL:ssä päästömaksimin esiintyessä suuressa kulmassa. Tämä vahvistetaan edelleen kuvassa. 4b, jossa tämän laitteen napakäyriä verrataan ensimmäiseen (2s).
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan .
Epilogi
Siten kaikki yllä kuvatut havainnot ja mittaukset vahvistavat polaritonielektroluminesenssin läsnäolon vdW-heterorakenteessa, joka on rakennettu optiseen mikroonteloon. Tutkittavan laitteen tunneliarkkitehtuuri varmistaa elektronien/reikien sisääntulon ja rekombinaation WS2-yksikerroksessa, joka toimii valon emitterinä. On tärkeää, että laitteen tunnelimekanismi ei vaadi komponenttien seostamista, mikä minimoi häviöt ja erilaiset lämpötilaan liittyvät muutokset.
Havaittiin, että EL:llä on korkea suuntaavuus johtuen resonaattorin dispersiosta. Siksi onkalon laatutekijän parantaminen ja suurempi virransyöttö parantavat mikroontelo-LED-valojen, samoin kuin sähköisesti ohjattujen mikroontelopolaritonien ja fotonilaserien tehokkuutta.
Tämä työ vahvisti jälleen kerran, että siirtymämetallidikalkogenideillä on todella ainutlaatuisia ominaisuuksia ja erittäin laaja valikoima sovelluksia.
Tällainen tutkimus ja innovatiiviset keksinnöt voivat vaikuttaa suuresti tiedonsiirtoteknologioiden kehittämiseen ja levittämiseen LEDien ja itse valon kautta. Tällaisiin futuristisiin teknologioihin kuuluu Li-Fi, joka voi tarjota huomattavasti nopeampia nopeuksia kuin tällä hetkellä saatavilla oleva Wi-Fi.
Kiitos huomiosta, pysykää utelias ja mukavaa viikkoa kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com