Le blianta fada anuas, tá eolaithe ó gach cearn den domhan ag déanamh dhá rud - a chumadh agus a fheabhsú. Agus uaireanta níl sé soiléir cé acu atá níos deacra. Tóg, mar shampla, gnáth-LEDs, atá cosúil chomh simplí agus chomh gnáth dúinn nach dtugaimid aird orthu fiú. Ach má chuireann tú cúpla excitons, pinch polaritons agus disulfide tungstain chun blas a chur air, ní bheidh na soilse stiúir chomh prósaiceach a thuilleadh. Is iad na téarmaí abstruse seo go léir ainmneacha na gcomhpháirteanna an-neamhghnách, agus thug an meascán díobh deis d'eolaithe ó Choláiste na Cathrach i Nua-Eabhrac córas nua a chruthú a bheadh in ann faisnéis a tharchur go han-tapa ag baint úsáide as solas. Cabhróidh an fhorbairt seo le teicneolaíocht Li-Fi a fheabhsú. Cad iad na comhábhair chruinne den teicneolaíocht nua a úsáideadh, cad é an t-oideas don “mhias” seo agus cad é éifeachtúlacht oibriúcháin an LED exciton-polariton nua? Inseoidh tuarascáil na n-eolaithe dúinn faoi seo. Téigh.
Bonn taighde
Má shimplímid gach rud síos go dtí aon fhocal amháin, ansin tá an teicneolaíocht seo éadrom agus gach rud a bhaineann leis. Gcéad dul síos, polaritons, a thagann chun cinn nuair a idirghníomhaíonn fótóin le excitations an meán (fónóin, excitons, plasmons, magnons, etc.). Ar an dara dul síos, is excitons iad excitons leictreonacha i dtréleictreach, leathsheoltóir nó miotail a théann ar imirce ar fud an chriostail agus nach bhfuil baint acu le haistriú muirear agus mais leictreach.
Tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara gur breá leis na quasiparticles seo fuar go mór, i.e. Ní féidir a ngníomhaíocht a urramú ach amháin ag teochtaí an-íseal, rud a chuireann srian mór ar a gcur i bhfeidhm praiticiúil. Ach bhí sé sin roimhe seo. Sa obair seo, bhí na heolaithe in ann an teorannú teochta a shárú agus iad a úsáid ag teocht an tseomra.
Is í príomhghné na polaraitóin an cumas fótóin a cheangal lena chéile. Faigheann fótóin a imbhuaileann le hadaimh rubidiam mais. I bpróiseas na n-imbhuailtí arís agus arís eile, preabann na fótóin as a chéile, ach i gcásanna neamhchoitianta cruthaíonn siad péirí agus triplets, agus cailleann siad an chomhpháirt adamhach a léiríonn an adamh rubidiam.
Ach chun rud éigin a dhéanamh le solas, ní mór duit é a ghabháil. Chun seo, tá gá le hathshonadóir optúil, arb é atá ann sraith d'eilimintí frithchaiteacha a fhoirmíonn tonn solais sheasta.
Sa staidéar seo, tá an ról is tábhachtaí a bhí ag fiú níos mó neamhghnách quasiparticles - exciton-polaritons, atá déanta mar gheall ar an cúplála láidir excitons agus fótóin gafa i cuas optúla.
Mar sin féin, ní leor é seo, toisc go bhfuil gá le bunús ábhartha, mar a déarfá. Agus cé níos fearr ná déchalcogenide miotail trasdula (TMD) a imreoidh an ról seo? Níos cruinne, baineadh úsáid as monolayer WS2 (dé-shilfíd tungstain) mar an t-ábhar astaithe, a bhfuil fuinneamh iontach ceangailteach exciton, a tháinig chun bheith ar cheann de na príomhchritéir chun an bonn ábhair a roghnú.
Mar gheall ar na heilimintí go léir a bhfuil cur síos déanta orthu thuas a chomhcheangal, bhíothas in ann LED polariton faoi rialú leictreach a chruthú a oibríonn ag teocht an tseomra.
Leis an ngléas seo a bhaint amach, tá monashraith de WS2 nasctha idir bacainní tanaí tollán nítríde bórón heicseagánach (hBN) agus sraitheanna graphene ag feidhmiú mar leictreoidí.
Torthaí taighde
Is ábhar van der Waals (vdW) tanaí adamhach é WS2, toisc gur déchalcogenide miotail trasdula é. Labhraíonn sé seo lena airíonna uathúla leictreacha, optúla, meicniúla agus teirmeacha.
I gcomhcheangal le hábhair vdW eile, mar shampla graphene (mar sheoltóir) agus nítríde bórón heicseagánach (hBN, mar inslitheoir), is féidir go leor feistí leathsheoltóra faoi rialú leictreach, lena n-áirítear stiúir, a bhaint amach. Tá teaglaim chosúla d'ábhair van der Waals agus polaritóin tugtha i gcrích cheana féin, mar a luann na taighdeoirí go hoscailte. Mar sin féin, i saothair roimhe seo, bhí na córais a d'eascair as casta agus neamhfhoirfe, agus níor léirigh siad acmhainneacht iomlán gach comhpháirte.
Ar cheann de na smaointe a spreag na réamhtheachtaithe bhí úsáid ardán ábhar déthoiseach. Sa chás seo, is féidir feistí a bhaint amach le sraitheanna adamhach tanaí astaithe, ar féidir iad a chomhtháthú le hábhair vdW eile ag gníomhú mar theagmhálacha (graphene) agus bacainní tolláin (hBN). Ina theannta sin, de bharr déthoiseach den sórt sin is féidir soilse polariton a chomhcheangal le hábhair vdW a bhfuil airíonna maighnéadacha neamhghnácha acu, sársheoltacht láidir agus/nó aistrithe topological neamhchaighdeánacha. Mar thoradh ar chomhcheangal den sórt sin, is féidir cineál feiste go hiomlán nua a fháil, agus is féidir a n-airíonna a bheith sách neamhghnách. Ach, mar a deir eolaithe, is ábhar é seo le haghaidh staidéir eile.
Íomhá #1
Ar an íomhá 1 léiríonn múnla tríthoiseach de ghléas atá cosúil le císte ciseal. Is sraith airgid é scáthán uachtarach an athshondóra optúil, agus is é an scáthán íochtair dáileadh 12 ciseal Frithchaiteoir Bragg*. Tá crios tolláin sa réigiún gníomhach.
Frithchaiteoir Bragg scaipthe* - struchtúr de roinnt sraitheanna ina n-athraíonn innéacs athraonta an ábhair go tréimhsiúil ingearach leis na sraitheanna.
Is éard atá i gcrios an tolláin ná heitreastruchtúr vdW comhdhéanta de monolayer WS2 (astar solais), sraitheanna tanaí de hBN ar an dá thaobh den monolayer (bac tolláin) agus graphene (leictreoidí trédhearcacha chun leictreoin agus poill a thabhairt isteach).
Cuireadh dhá shraith eile de WS2 leis chun neart iomlán an oscillator a mhéadú agus mar sin chun scoilteadh Rabi níos suntasaí de na stáit polaitóin a tháirgeadh.
Déantar modh oibriúcháin an athshondóra a choigeartú trí thiús an chiseal PMMA (methacrylate polymethyl, i.e. plexiglass) a athrú.
Изображение 1b Seo léargas ar heitreastruchtúr vdW ar dhromchla frithchaiteora Bragg dáilte. Mar gheall ar fhrithchaiteacht ard an fhrithchaiteora Bragg dáilte, arb é an ciseal bun é, tá codarsnacht frithchaiteachais an-íseal ag crios an tolláin san íomhá, agus mar thoradh air sin ní breathnaítear ach an ciseal hBN tiubh barr.
Sceideal 1anna an léaráid chrios vdW den heitreastruchtúr i gcéimseata an tolláin faoin díláithriú. Breathnaítear electroluminescence (EL) os cionn an voltais tairsí nuair a aistrítear leibhéal Fermi an ghraiféin barr (bun) os cionn (thíos) banna seolta (valence) WS2, rud a ligeann do leictreon (poll) tollánú isteach sa seoladh (valence) banna de WS2. Cruthaíonn sé seo coinníollacha fabhracha maidir le foirmiú excitons sa WS2 ciseal le radiative (radiative) recombination leictreon-poll.
Murab ionann agus astaithe solais acomhal pn, a éilíonn dópáil chun oibriú, braitheann EL ó fheistí tolláin ar shruth an tolláin amháin, ag seachaint caillteanais optúla agus aon athruithe friotachais de bharr athruithe teochta. Ag an am céanna, ceadaíonn ailtireacht an tolláin réigiún astaíochtaí i bhfad níos mó i gcomparáid le feistí déchalcogenide bunaithe ar acomhail pn.
Изображение 1d léiríonn tréithe leictreacha an dlús srutha tollánaithe (J( ) mar fheidhm de laofacht (V) idir leictreoidí graphene. Léiríonn méadú géar ar an sruth do voltas dearfacha agus diúltacha go bhfuil sruth tollánaithe ag tarlú tríd an struchtúr. Ag an tiús is fearr is féidir de shraitheanna hBN (~2 nm), breathnaítear sruth tollánaithe suntasach agus méadú ar shaolré na n-iompróirí leabaithe le haghaidh athcheangail radiative.
Sula ndearnadh an turgnamh electroluminescence, bhí frithchaitheamh solais geal réitithe ag an bhfeiste chun láithreacht cúplála excitonic láidir a dhearbhú.
Íomhá #2
Ar an íomhá 2 Léirítear speictream frithchaiteachta uillinn-réiteach ó réigiún gníomhach na feiste, rud a léiríonn iompar frith-thrasnú. Breathnaíodh Photoluminescence (PL) freisin faoi excitation neamh-athshondach (460 nm), ag taispeáint astuithe dian ón mbrainse polariton níos ísle agus astú níos laige ón mbrainse polariton uachtarach (2b).
Ar 2anna léiríonn sé an scaipeadh leictrealuminescence polariton ag ráta insteallta 0.1 μA/μm2. Is iad ～33 meV agus ～-13 meV, faoi seach, an scoilteadh Rabi agus an cuasán a dhíchoigeartú trí na modhanna oscillator (líne sholadach agus línte bán briste) a fheistiú ar an turgnamh EL. Sainmhínítear dítiúnáil na cuas mar δ = Ec − Ex, áit arb é Ex an fuinneamh exciton agus seasann Ec an fuinneamh fótóin náid-móiminteam cuas in-eitle. Sceideal 2d Is gearradh é seo ar uillinneacha éagsúla ón scaipeadh leictrealuminescent. Anseo, tá scaipeadh na modhanna polariton uachtaracha agus íochtaracha le frith-thrasnú a tharlaíonn sa chrios athshondais exciton le feiceáil go soiléir.
Íomhá #3
De réir mar a mhéadaíonn an sruth tollánaithe, méadaíonn an déine iomlán EL. Breathnaítear ar EL lag ó pholaitín gar don athrú tairsí (3), agus é ag díláithriú sách mór os cionn na tairsí, déantar astaíocht polaraitóin ar leith (3b).
Ar an íomhá 3anna léiríonn plota polach de dhéine EL mar fheidhm uillinne, a thaispeánann cón caol astaithe ±15°. Níl aon athrú ar an bpatrún radaíochta don sruth sceite íosta (cuar glas) agus uasta (cuar oráiste). Ar 3d léiríonn sé an déine comhtháite do shruthanna tollán gluaiste éagsúla, atá, mar is léir ón ngraf, sách líneach. Dá bhrí sin, is féidir le méadú ar an sruth go luachanna arda a bheith ina chúis le scaipeadh rathúil na bpolaratóin feadh an bhrainse íochtair agus patrún astaíochta thar a bheith cúng a chruthú mar gheall ar ghiniúint polariton. Mar sin féin, níorbh fhéidir é seo a bhaint amach sa turgnamh seo mar gheall ar an teorainn a bhaineann le briseadh tréleictreach an bhacainn tolláin hBN.
Poncanna dearga ar 3d taispeáin tomhais táscaire eile - seachtrach éifeachtacht chandamach*.
Éifeachtúlacht chandamach* — an cóimheas idir líon na bhfótón, arbh é ba chúis lena n-ionsú ná foirmiú na gcuas-cháithníní, le líon iomlán na bhfótón a ionsúitear.
Tá an éifeachtacht chandamach a breathnaíodh inchomparáide leis an éifeachtúlacht i soilse polariton eile (bunaithe ar ábhair orgánacha, feadáin charbóin, etc.). Is fiú a thabhairt faoi deara nach bhfuil tiús na ciseal astaithe solais ach 0.7 nm sa fheiste atá á staidéar, agus i bhfeistí eile tá an luach seo i bhfad níos airde. Ní cheiltíonn eolaithe an fhíric nach bhfuil éifeachtacht chandamach a ngléas an líon is airde, ach is féidir é a mhéadú trí líon níos mó monolayers a chur taobh istigh den chrios tolláin, scartha le sraitheanna tanaí de hBN.
Rinne na taighdeoirí tástáil freisin ar éifeacht díthiúnaithe athshondóra ar polariton EL trí fheiste eile a dhéanamh, ach le dítiúnadh níos láidre (-43 meV).
Íomhá #4
Ar an íomhá 4 Taispeántar speictrim EL le taifeach uilleach feiste den sórt sin ag dlús srutha 0.2 μA/μm2. Mar gheall ar an dítiúnadh láidir, taispeánann an gléas éifeacht scrogaill fhuaimnithe san EL agus an t-uasmhéid astaíochta ag tarlú ar uillinn mhór. Deimhnítear é seo tuilleadh san íomhá 4b, áit a gcuirtear grafanna polacha an ghléis seo i gcomparáid leis an gcéad cheann (2anna).
Le haghaidh aithne níos mionsonraithe ar nuances an staidéir, molaim féachaint ar .
Epilogue
Dá bhrí sin, deimhníonn na breathnuithe agus na tomhais go léir a thuairiscítear thuas láithreacht leictrealuminescence polariton i heitreastruchtúr vdW a tógadh isteach i micrea-cavity optúil. Cinntíonn ailtireacht tholláin an fheiste atá á staidéar go dtabharfar isteach leictreoin/poill agus athchumadh sa mhonashraith WS2, a fheidhmíonn mar astaíre solais. Tá sé tábhachtach nach n-éilíonn meicníocht tolláin an fheiste na comhpháirteanna a chóimhiotail, rud a íoslaghdaíonn caillteanais agus athruithe éagsúla a bhaineann le teocht.
Fuarthas amach go bhfuil treoshuíomh ard ag EL mar gheall ar scaipeadh an athshonóra. Dá bhrí sin, feabhsóidh feabhas ar fhachtóir cáilíochta cuas agus seachadadh reatha níos airde éifeachtacht na stiúir microcavity, chomh maith le polaritóin microcavity rialaithe leictrilíteacha agus léasair fótónacha.
Dhearbhaigh an obair seo arís go bhfuil airíonna fíor-uathúla ag déchalcogenides miotail trasdula agus raon an-leathan feidhmchlár.
Is féidir le taighde agus aireagáin nuálaíocha den sórt sin tionchar mór a imirt ar fhorbairt agus ar scaipeadh teicneolaíochtaí tarchurtha sonraí ag baint úsáide as stiúir agus solas féin. Áirítear le teicneolaíochtaí todhchaíochta den sórt sin Li-Fi, ar féidir leo luasanna i bhfad níos airde a sholáthar ná an Wi-Fi atá ar fáil faoi láthair.
Go raibh maith agat as léamh, bígí fiosrach agus bíodh seachtain iontach agaibh! 🙂
Go raibh maith agat as fanacht linn. An maith leat ár n-alt? Ag iarraidh ábhar níos suimiúla a fheiceáil? Tacaigh linn trí ordú a dhéanamh nó moladh a thabhairt do chairde, Lascaine 30% d’úsáideoirí Habr ar analóg uathúil de fhreastalaithe leibhéal iontrála, a cheap muid duit: (ar fáil le RAID1 agus RAID10, suas le 24 croíleacan agus suas le 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 uair níos saoire? Ach anseo san Ísiltír! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ó $99! Léigh faoi
Foinse: will.com