In protte jierren hawwe wittenskippers fan oer de hiele wrâld twa dingen dien - útfine en ferbetterje. En soms is it net dúdlik wat dreger is. Nim bygelyks gewoane LED's, dy't ús sa ienfâldich en gewoan lykje dat wy har net iens omtinken jaan. Mar as jo in pear excitons tafoegje, in knipe polaritons en wolfraamdisulfide nei smaak, sille LED's net mear sa prozaïsk wêze. Al dizze ûngewoane termen binne de nammen fan ekstreem ûngewoane komponinten, wêrfan de kombinaasje wittenskippers fan it City College fan New York koe meitsje in nij systeem dat by steat is om ynformaasje ekstreem fluch te ferstjoeren mei ljocht. Dizze ûntwikkeling sil helpe om Li-Fi-technology te ferbetterjen. Hokker eksakte yngrediïnten fan 'e nije technology waarden brûkt, wat is it resept foar dit "skûtel" en wat is de effektiviteit fan 'e nije exciton-polariton LED? It rapport fan wittenskippers sil ús fertelle oer dit. Gean.
Undersyk basis
As wy alles ferienfâldigje nei ien wurd, dan is dizze technology ljocht en alles ferbûn mei it. As earste, polaritons, dy't ûntsteane as fotonen ynteraksje mei excitations fan it medium (fonons, excitons, plasmons, magnons, ensfh). Twads, excitons binne elektroanyske excitations yn in dielectric, semiconductor of metaal dy't migrearje troch it kristal en binne net assosjearre mei de oerdracht fan elektryske lading en massa.
It is wichtich om te notearjen dat dizze kwasipartikels tige fan kâld hâlde, d.w.s. Har aktiviteit kin allinich wurde waarnommen by ekstreem lege temperatueren, wat har praktyske tapassing sterk beheint. Mar dat wie earder. Yn dit wurk koenen wittenskippers de temperatuerbeheining oerwinne en se brûke by keamertemperatueren.
It wichtichste skaaimerk fan polaritons is de mooglikheid om fotonen mei elkoar te binen. Fotonen dy't botsing mei rubidium atomen krije massa. Yn it proses fan werhelle botsingen keatse de fotonen fan elkoar ôf, mar yn seldsume gefallen foarmje se pearen en trijelingen, wylst se de atomêre komponint fertsjinwurdige troch it rubidiumatoom ferlieze.
Mar om wat mei ljocht te dwaan, moatte jo it fange. Dêrfoar is in optyske resonator nedich, dat is in set fan reflektearjende eleminten dy't in steande ljochtwelle foarmje.
Yn dit ûndersyk wurdt de wichtichste rol spile troch noch mear ûngewoane kwasipartikels - exciton-polaritons , dy't foarme wurde troch de sterke keppeling fan excitons en fotonen dy't yn in optyske holte fongen binne.
Dat is lykwols net genôch, want der is sa te sizzen in materiële basis nedich. En wa sil dizze rol better spylje dan transysjemetaaldichalcogenide (TMD)? Krekter, in WS2 (wolfram disulfide) monolayer waard brûkt as emittearjend materiaal, dat hat yndrukwekkende exciton binende enerzjy, dat waard ien fan de wichtichste kritearia foar it kiezen fan it materiaal basis.
De kombinaasje fan alle hjirboppe beskreaune eleminten makke it mooglik om in elektrysk regele polariton LED te meitsjen dy't wurket by keamertemperatuer.
Om dit apparaat te realisearjen, wurdt in monolaach fan WS2 ynsletten tusken tinne hexagonale boronitride (hBN) tunnelbarriêres mei grafeenlagen dy't as elektroden fungearje.
Undersyksresultaten
WS2, as in oergongsmetaal dichalcogenide, is ek in atomysk tin van der Waals (vdW) materiaal. Dit sprekt oan syn unike elektryske, optyske, meganyske en thermyske eigenskippen.
Yn kombinaasje mei oare vdW-materialen, lykas grafeen (as dirigint) en hexagonaal boriumnitride (hBN, as isolator), kin in hiele rige elektrysk regele healgelearderapparaten, dy't LED's befetsje, realisearre wurde. Soartgelikense kombinaasjes fan van der Waals-materialen en polaritons binne al earder realisearre, sa't de ûndersikers iepentlik sizze. Yn eardere wurken wiene de resultearjende systemen lykwols kompleks en ûnfolslein, en lieten it folsleine potensjeel fan elke komponint net sjen.
Ien fan 'e ideeën dy't waard ynspirearre troch foargongers wie it brûken fan in twadiminsjonaal materiaal platfoarm. Yn dit gefal is it mooglik om apparaten te realisearjen mei atomysk tinne emissive lagen, dy't kinne wurde yntegrearre mei oare vdW-materialen dy't fungearje as kontakten (grafeen) en tunnelbarriêres (hBN). Dêrnjonken makket sokke twadimensjonaliteit it mooglik om polariton-LED's te kombinearjen mei vdW-materialen dy't ûngewoane magnetyske eigenskippen hawwe, sterke supergeleiding en / of net-standert topologyske transfers. As gefolch fan sa'n kombinaasje kin krije in folslein nij soarte fan apparaat, de eigenskippen fan dat kin wêze hiel ûngewoan. Mar, lykas wittenskippers sizze, dit is in ûnderwerp foar in oare stúdzje.
Ofbylding #1
Op it byld 1 lit in trijediminsjonaal model sjen fan in apparaat dat liket op in laachkoek. De boppespegel fan 'e optyske resonator is in laach fan sulver, en de legere spegel is in 12-laach ferdield Bragg reflector*. De aktive regio befettet in tunnelsône.
Ferdielde Bragg-reflektor* - in struktuer fan ferskate lagen wêryn de brekingsyndeks fan it materiaal periodyk perpendikulêr feroaret op 'e lagen.
De tunnel sône bestiet út in vdW heterostruktuer besteande út in WS2 monolayer (ljocht emitter), tinne lagen fan hBN oan beide kanten fan de monolayer (tunnel barriêre) en graphene (transparante elektroden foar ynfiering fan elektroanen en gatten).
Twa mear lagen fan WS2 waarden tafoege om de totale sterkte fan 'e oscillator te fergrutsjen en dêrtroch mear útsprutsen Rabi-splitsing fan' e polaritonsteaten te produsearjen.
De wurkwize fan 'e resonator wurdt oanpast troch it feroarjen fan' e dikte fan 'e PMMA-laach (polymethylmethacrylate, dus plexiglas).
Ofbylding 1b Dit is in momintopname fan in vdW heterostruktuer op it oerflak fan in ferspraat Bragg reflector. Troch de hege reflektiviteit fan 'e ferdielde Bragg-reflektor, dy't de ûnderste laach is, hat de tunnelsône yn 'e ôfbylding in tige leech reflektânsjekontrast, wêrtroch't allinich de boppeste dikke hBN-laach wurdt waarnommen.
Graf 1s is it vdW-sônediagram fan de heterostruktuer yn 'e tunnelgeometry ûnder ferpleatsing. Elektroluminescence (EL) wurdt waarnommen boppe de drompelspanning as it Fermi-nivo fan 'e boppeste (ûnderste) grafeen wurdt ferskood boppe (ûnder) de conduction (valinsje) band fan WS2, wêrtroch in elektron (gat) te tunnel yn' e conduction (valence) band fan WS2. Dit soarget foar geunstige betingsten foar de foarming fan excitons yn 'e WS2-laach mei dêropfolgjende stralings- (strieljende) elektroanengat-rekombinaasje.
Oars as pn junction ljocht emitters, dy't fereaskje doping te operearjen, hinget EL út tunnel apparaten allinnich op 'e tunnel hjoeddeistige, it foarkommen fan optyske ferliezen en alle feroarings yn resistivity feroarsake troch temperatuer feroarings. Tagelyk makket de tunnelarsjitektuer in folle gruttere emisjeregio mooglik yn ferliking mei dichalcogenide-apparaten basearre op pn-knooppunten.
Ofbylding 1d toant de elektryske skaaimerken fan 'e tunnelingstromdichtheid (J) as funksje fan biasspanning (V) tusken grafene elektroden. In skerpe tanimming fan stroom foar sawol positive as negative spanningen jout oan it foarkommen fan tunnelingstream troch de struktuer. By de optimale dikte fan hBN-lagen (~ 2 nm) wurde in signifikante tunnelingstream en in ferheging fan 'e libbensdoer fan ynbêde dragers foar radiative rekombinaasje waarnommen.
Foardat it elektroluminescinsje-eksperimint útfierd waard, waard it apparaat karakterisearre troch hoeke-oplosbere wyt ljochtrefleksje om de oanwêzigens fan sterke eksitoanyske keppeling te befestigjen.
Ofbylding #2
Op it byld 2 Hoeke-oplost reflektânsjespektra fan 'e aktive regio fan it apparaat wurde werjûn, wat anty-krúsgedrach oantoand. Photoluminescence (PL) waard ek waarnommen ûnder net-resonante eksitaasje (460 nm), dy't yntinsive emisje fan 'e legere polariton-tûke en swakkere emisje fan' e boppeste polariton-tûke sjen litte (2b).
op 2s toant de fersprieding fan polariton electroluminescence by in ynjeksje rate fan 0.1 μA / μm2. De Rabi-splitsing en ûntstekking fan 'e holte krigen troch de oscillatormodi (solide en stippele wite line) oan it EL-eksperimint oan te passen binne respektivelik ～33 meV en ～-13 meV. De holte-ûntstekking wurdt definiearre as δ = Ec - Ex, wêrby't Ex de exciton-enerzjy is en Ec de yn-flak nul-momentum holte-foton-enerzjy oantsjut. Skema 2d Dit is in besuniging yn ferskate hoeken fan 'e elektroluminescent dispersion. Hjir is de fersprieding fan 'e boppeste en legere polaritonmodi mei anticrossing dy't yn' e exciton-resonânsje-sône plakfynt dúdlik sichtber.
Ofbylding #3
As de tunnelingstream ferheget, nimt de totale EL-yntensiteit ta. Swakke EL fan polaritons wurdt waarnommen tichtby de drompelferskowing (3), wylst by in foldwaande grutte ferpleatsing boppe de drompel, polaritonemisje dúdlik wurdt (3b).
Op it byld 3s toant in poalplot fan EL-yntensiteit as funksje fan hoeke, dy't in smelle emisjekegel fan ± 15° ôfbyldet. It strielingspatroan bliuwt frijwol net feroare foar sawol de minimale (griene kromme) as maksimale (oranje kromme) eksitaasjestroom. Op 3d toant de yntegreare yntensiteit foar ferskate bewegende tunnelstreamen, dy't, sa't út 'e grafyk te sjen is, frij lineêr is. Dêrom kin it ferheegjen fan de stroom nei hege wearden liede ta suksesfolle fersprieding fan polaritons lâns de legere tûke en meitsje in ekstreem smel emisjepatroan troch polaritongeneraasje. Yn dit eksperimint wie it lykwols net mooglik om dit te berikken fanwegen de beheining dy't ferbûn is mei de diëlektryske ôfbraak fan 'e hBN-tunnelbarriêre.
Reade stippen op 3d toan mjittingen fan in oare yndikator - ekstern kwantum effisjinsje *.
Quantum effisjinsje* - de ferhâlding fan it oantal fotonen, wêrfan de opname feroarsake de foarming fan kwasipartikels, en it totale oantal opnommen fotonen.
De waarnommen kwantum-effisjinsje is te fergelykjen mei dy yn oare polariton-LED's (basearre op organyske materialen, koalstofbuizen, ensfh.). It is de muoite wurdich opskriuwen dat yn it apparaat ûnder stúdzje de dikte fan it ljocht-emitting laach is mar 0.7 nm, wylst yn oare apparaten dizze wearde is folle heger. Wittenskippers ferbergje it feit net dat de kwantum-effisjinsje fan har apparaat net de heechste is, mar it kin wurde ferhege troch in grutter oantal monolagen yn 'e tunnelsône te pleatsen, skieden troch tinne lagen fan hBN.
De ûndersikers ûndersochten ek it effekt fan resonatordetuning op polariton EL troch in oar apparaat te meitsjen, mar mei in sterkere detuning (-43 meV).
Ofbylding #4
Op it byld 4 EL-spektra mei hoekresolúsje fan sa'n apparaat wurde werjûn by in aktuele tichtens fan 0.2 μA/μm2. Troch de sterke detuning toant it apparaat in útsprutsen knelpunt-effekt yn 'e EL mei it útstjitmaksimum dat op in grutte hoeke komt. Dit wurdt fierder befêstige yn 'e ôfbylding 4b, wêr't de poalgrafiken fan dit apparaat wurde fergelike mei de earste (2s).
Foar in mear detaillearre kunde mei de nuânses fan 'e stúdzje, advisearje ik om te sjen .
Epilogue
Sa befêstigje alle hjirboppe beskreaune waarnimmings en mjittingen de oanwêzigens fan polaritonelektroluminescinsje yn in vdW-heterostruktuer boud yn in optyske mikrokavity. De tunnel-arsjitektuer fan it ûndersochte apparaat soarget foar de ynfiering fan elektroanen / gatten en rekombinaasje yn 'e WS2 monolayer, dy't tsjinnet as ljochtemitter. It is wichtich dat it tunnelmeganisme fan it apparaat gjin legering fan komponinten nedich is, wat ferlies en ferskate temperatuerferoaringen minimearret.
It waard fûn dat EL in hege rjochting hat troch de fersprieding fan 'e resonator. Dêrom sil it ferbetterjen fan 'e kavity-kwaliteitsfaktor en hegere aktuele levering de effisjinsje fan mikrokavity-LED's ferbetterje, lykas ek elektrysk kontroleare mikrokavitypolaritons en fotonyske lasers.
Dit wurk befêstige nochris dat transysjemetaal dichalcogenides wirklik unike eigenskippen hawwe en in heul breed oanbod fan tapassingen.
Sok ûndersyk en ynnovative útfinings kinne de ûntwikkeling en fersprieding fan technologyen foar gegevensferfier mei LED's en ljocht sels sterk beynfloedzje. Sokke futuristyske technologyen omfetsje Li-Fi, dy't signifikant hegere snelheden leverje kinne as op it stuit beskikber Wi-Fi.
Tankewol foar jo oandacht, bliuw nijsgjirrich en in geweldige wike allegear! 🙂
Tankewol foar it bliuwen by ús. Hâld jo fan ús artikels? Wolle jo mear ynteressante ynhâld sjen? Stypje ús troch in bestelling te pleatsen of oan te befeljen oan freonen, 30% koarting foar Habr-brûkers op in unike analoog fan servers op yngongsnivo, dy't troch ús foar jo útfûn is: (beskikber mei RAID1 en RAID10, oant 24 kearnen en oant 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kear goedkeaper? Allinne hjir yn Nederlân! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fan $99! Lêze oer
Boarne: www.habr.com