Airson iomadh bliadhna, tha luchd-saidheans bho air feadh an t-saoghail air a bhith a 'dèanamh dà rud - a' cruthachadh agus a 'leasachadh. Agus uaireannan chan eil e soilleir dè a tha nas duilghe. Gabh, mar eisimpleir, LEDan àbhaisteach, a tha a’ coimhead cho sìmplidh agus cho àbhaisteach dhuinn nach bi sinn eadhon a’ toirt aire dhaibh. Ach ma chuireas tu beagan excitons, pinch de polaritons agus tungsten disulfide gu blas, cha bhith LEDs cho prosaic tuilleadh. Tha na teirmean abstruse sin uile nan ainmean de cho-phàirtean air leth neo-àbhaisteach, agus thug an cothlamadh dhiubh sin cothrom do luchd-saidheans bho City College of New York siostam ùr a chruthachadh a tha comasach air fiosrachadh a sgaoileadh gu math luath le bhith a’ cleachdadh solas. Cuidichidh an leasachadh seo le bhith ag adhartachadh teicneòlas Li-Fi. Dè an dearbh ghrìtheid den teicneòlas ùr a chaidh a chleachdadh, dè an reasabaidh a th’ ann airson a’ “mhias” seo agus dè cho èifeachdach sa tha an LED exciton-polariton ùr? Innsidh aithisg luchd-saidheans dhuinn mu dheidhinn seo. Rachaibh.
Bunait rannsachaidh
Ma nì sinn a h-uile càil nas sìmplidhe sìos gu aon fhacal, tha an teicneòlas seo aotrom agus a h-uile càil co-cheangailte ris. An toiseach, polaritons, a bhios ag èirigh nuair a bhios photons ag eadar-obrachadh le excitations de mheadhan (phonons, excitons, plasmons, magnons, msaa). San dàrna h-àite, is e excitons excitons dealanach ann an dielectric, semiconductor no meatailt a bhios a ’dèanamh imrich air feadh na criostal agus nach eil co-cheangailte ri gluasad cosgais dealain agus tomad.
Tha e cudromach cuimhneachadh gu bheil na quasiparticles sin gu math dèidheil air fuachd, i.e. Chan fhaicear an gnìomhachd aca ach aig teòthachd gu math ìosal, a tha gu mòr a’ cuingealachadh an cleachdadh practaigeach. Ach bha sin roimhe. Anns an obair seo, b 'urrainn do luchd-saidheans faighinn thairis air a' chuingealachadh teòthachd agus an cleachdadh aig teòthachd an t-seòmair.
Is e prìomh fheart polaritons an comas photons a cheangal ri chèile. Bidh photons a 'bualadh le atoman rubidium a' faighinn tomad. Anns a 'phròiseas de thubaistean a-rithist, bidh na photons a' breabadh a chèile, ach ann an cùisean ainneamh bidh iad a 'cruthachadh chàraidean agus triplets, agus iad a' call a 'phàirt atamach a tha air a riochdachadh leis an atom rubidium.
Ach airson rudeigin a dhèanamh le solas, feumaidh tu a ghlacadh. Airson seo, tha feum air resonator optigeach, a tha na sheata de eileamaidean meòrachail a bhios a’ cruthachadh tonn solais seasmhach.
Anns an sgrùdadh seo, tha an àite as cudromaiche air a chluich le eadhon nas neo-àbhaisteach quasiparticles - exciton-polaritons, a tha air an cruthachadh mar thoradh air an ceangal làidir de excitons agus photons glaiste ann an cuas sùbailte.
Ach, chan eil seo gu leòr, oir tha feum air bunait stuth, mar sin a bhruidhinn. Agus cò as fheàrr na dichalcogenide meatailt gluasaid (TMD) a chluicheas an dreuchd seo? Nas mionaidiche, chaidh monolayer WS2 (tungsten disulfide) a chleachdadh mar an stuth sgaoileadh, aig a bheil lùths ceangail exciton drùidhteach, a thàinig gu bhith mar aon de na prìomh shlatan-tomhais airson a bhith a ’taghadh bunait stuthan.
Bha an cothlamadh de na h-eileamaidean gu h-àrd ga dhèanamh comasach LED polariton fo smachd dealanach a chruthachadh ag obair aig teòthachd an t-seòmair.
Gus an inneal seo a thoirt gu buil, tha monolayer de WS2 air a cheangal eadar cnapan-starra tunail boron nitride hexagonal tana (hBN) le sreathan graphene ag obair mar electrodes.
Toraidhean rannsachaidh
Tha WS2, mar dichalcogenide meatailt gluasaid, cuideachd na stuth van der Waals (vdW) tana atamach. Tha seo a’ bruidhinn ris na feartan sònraichte dealain, optigeach, meacanaigeach agus teirmeach aige.
Ann an co-bhonn ri stuthan vdW eile, leithid graphene (mar stiùiriche) agus boron nitride hexagonal (hBN, mar insuladair), faodar grunn innealan semiconductor fo smachd dealanach, a tha a’ toirt a-steach LEDs, a thoirt gu buil. Tha cothlamadh coltach ri stuthan van der Waals agus polaritons air an toirt gu buil mu thràth, mar a tha an luchd-rannsachaidh ag ràdh gu fosgailte. Ach, ann an obraichean roimhe, bha na siostaman toraidh iom-fhillte agus neo-fhoirfe, agus cha do nochd iad làn chomas gach pàirt.
B’ e aon de na beachdan a chaidh a bhrosnachadh le sinnsirean a bhith a’ cleachdadh àrd-ùrlar stuthan dà-mheudach. Anns a ’chùis seo, tha e comasach innealan a thoirt gu buil le sreathan emissive tana atamach, a dh’ fhaodar a cheangal ri stuthan vdW eile ag obair mar luchd-ceangail (graphene) agus cnapan-starra tunail (hBN). A bharrachd air an sin, tha an leithid de dhà-thomhas ga dhèanamh comasach LEDan polariton a chur còmhla le stuthan vdW aig a bheil feartan magnetach neo-àbhaisteach, superconductivity làidir agus / no gluasadan topological neo-àbhaisteach. Mar thoradh air a leithid de mheasgachadh, gheibhear inneal gu tur ùr, agus faodaidh na feartan aca a bhith gu math neo-àbhaisteach. Ach, mar a tha luchd-saidheans ag ràdh, tha seo na chuspair airson sgrùdadh eile.
Ìomhaigh #1
Air an dealbh 1 a 'sealltainn modail trì-thaobhach de dh' inneal a tha coltach ri cèic còmhdach. Is e còmhdach airgid a th’ ann an sgàthan àrd an resonator optigeach, agus tha an sgàthan ìosal air a chuairteachadh le còmhdach 12 sgàthan Bragg*. Tha sòn tunail anns an roinn ghnìomhach.
Meòrachan Bragg air a chuairteachadh * - structar de ghrunn shreathan anns a bheil clàr-amais ath-bheothachaidh an stuth bho àm gu àm ag atharrachadh ceart-cheàrnach ris na sreathan.
Ann an sòn an tunail tha heterostructure vdW air a dhèanamh suas de monolayer WS2 (sgaoilidh solais), sreathan tana de hBN air gach taobh den monolayer (cnap-starra tunail) agus graphene (electrodan follaiseach airson dealanan agus tuill a thoirt a-steach).
Chaidh dà shreath eile de WS2 a chur ris gus neart iomlan an oscillator a mheudachadh agus mar sin gus sgoltadh Rabi nas fhollaisiche de na stàitean polariton a thoirt gu buil.
Tha modh obrachaidh an resonator air atharrachadh le bhith ag atharrachadh tiugh còmhdach PMMA (polymethyl methacrylate, i.e. plexiglass).
Ìomhaigh Ìomhaigh 1b Seo dealbh de heterostructure vdW air uachdar meòrachaidh Bragg sgaoilte. Air sgàth cho àrd sa tha an sgàthan Bragg sgaoilte, is e sin an ìre as ìsle, tha eadar-dhealachadh meòrachaidh glè ìosal aig sòn an tunail san ìomhaigh, agus mar thoradh air sin chan fhaicear ach an ìre hBN tiugh as àirde.
Graf 1c a’ riochdachadh an diagram sòn vdW den heterostructure ann an geoimeatraidh an tunail fo ghluasad. Thathas a’ cumail sùil air electroluminescence (EL) os cionn bholtachd na stairsnich nuair a thèid ìre Fermi den graphene gu h-àrd (bonn) a ghluasad os cionn (gu h-ìosal) bann giùlain (valence) WS2, a’ leigeil le dealan (toll) tunail a-steach don ghiùlan (valence) còmhlan de WS2. Tha seo a’ cruthachadh shuidheachaidhean fàbharach airson a bhith a’ cruthachadh excitons anns an t-sreath WS2 le ath-thionndadh toll dealanach (radiative) às deidh sin.
Eu-coltach ri luchd-sgaoilidh solais snaim pn, a dh’ fheumas dopadh airson obrachadh, tha EL bho innealan tunail gu tur an urra ri sruth an tunail, a’ seachnadh call optigeach agus atharrachaidhean sam bith ann an resistivity air adhbhrachadh le atharrachaidhean teothachd. Aig an aon àm, tha ailtireachd an tunail a’ ceadachadh sgìre sgaoilidhean mòran nas motha an coimeas ri innealan dichalcogenide stèidhichte air cinn-rathaid pn.
Ìomhaigh Ìomhaigh 1d a’ sealltainn feartan dealain dùmhlachd sruth tunail (J) mar ghnìomh de bholtaids claonadh (V) eadar dealanan graphene. Tha àrdachadh geur ann an sruth airson bholtaids dearbhach agus àicheil a’ nochdadh gu bheil sruth tunail a’ tachairt tron structar. Aig an tighead as fheàrr de shreathan hBN (~ 2 nm), thathas a’ cumail sùil air sruth tunail mòr agus àrdachadh ann am beatha luchd-giùlan freumhaichte airson ath-mheasgachadh radiative.
Mus deach an deuchainn electroluminescence a dhèanamh, bha an inneal air a chomharrachadh le faileas solais geal le fuasgladh ceàrn gus dearbhadh gu robh ceangal làidir excitonic ann.
Ìomhaigh #2
Air an dealbh 2 Thathas a’ sealltainn speactra meòrachaidh le fuasgladh ceàrn bho roinn gnìomhach an inneil, a’ nochdadh giùlan an-aghaidh crois. Chaidh Photoluminescence (PL) fhaicinn cuideachd fo excitation neo-fhuaimneach (460 nm), a 'sealltainn sgaoilidhean dian bhon mheur polariton ìseal agus sgaoilidhean nas laige bhon mheur polariton àrd (2b).
air a ' 2c a’ sealltainn sgaoileadh electroluminescence polariton aig ìre stealladh de 0.1 μA/μm2. Is e ～33 meV agus ～-13 meV an sgoltadh Rabi agus lorg cuas a gheibhear le bhith a’ cur na modhan oscillator (loidhne gheal cruaidh is briste) ris an deuchainn EL ～XNUMX meV agus ～-XNUMX meV, fa leth. Tha an detuning cavity air a mhìneachadh mar δ = Ec − Ex, far a bheil Ex na lùth exciton agus tha Ec a’ comharrachadh lùth photon cavity neoni-momentum a-staigh. Clàr-ama 2d Is e seo gearradh aig diofar cheàrnan bhon sgapadh electroluminescent. An seo, tha sgapadh nam modhan polariton àrd is ìosal le anticrossing a ’tachairt anns an raon ath-shuidheachadh exciton ri fhaicinn gu soilleir.
Ìomhaigh #3
Mar a bhios an sruth tunail ag àrdachadh, tha an dian EL iomlan ag àrdachadh. Thathas a’ faicinn EL lag bho polaritons faisg air gluasad na stairsnich (3), fhad ‘s a tha gluasad mòr gu leòr os cionn na stairsnich, bidh sgaoilidhean polariton a’ fàs eadar-dhealaichte (3b).
Air an dealbh 3c a’ sealltainn cuilbheart polar de dhian EL mar ghnìomh ceàrn, a’ sealltainn còn sgaoilidh cumhang de ±15 °. Tha am pàtran rèididheachd fhathast gun atharrachadh airson an dà chuid an ìre as ìsle (lùb uaine) agus an ìre as àirde (lùb orains) sruth excitation. Air adhart 3d a’ sealltainn an dian aonaichte airson diofar shruthan tunail gluasadach, a tha, mar a chithear bhon ghraf, gu math sreathach. Mar sin, le bhith ag àrdachadh an t-sruth gu luachan àrda faodaidh seo leantainn gu sgapadh soirbheachail de polaritons air a ’mheur ìosal agus cruthaich pàtran sgaoilidhean gu math cumhang mar thoradh air gineadh polariton. Ach, anns an deuchainn seo cha robh e comasach seo a choileanadh air sgàth a 'chuingeachaidh co-cheangailte ri briseadh sìos dielectric de chnap-starra tunail hBN.
Dotagan dearga air adhart 3d seall tomhasan comharra eile - taobh a-muigh èifeachd quantum*.
Èifeachdas Quantum* - an co-mheas eadar an àireamh de photons, a dh'adhbhraich an gabhail a-steach cruthachadh quasiparticles, ris an àireamh iomlan de photons gabhail a-steach.
Tha an èifeachdas cuantamach a chaidh fhaicinn an coimeas ris an fheadhainn ann an LEDan polariton eile (stèidhichte air stuthan organach, tiùban gualain, msaa). 'S fhiach toirt fa-near gu bheil an t-inneal a tha fo sgrùdadh tighead an t-sreath solas a tha dìreach 0.7 nm, agus ann an innealan eile tha an luach seo mòran nas àirde. Chan eil luchd-saidheans a 'falach nach e èifeachdas cuantamach an inneal aca an ìre as àirde, ach faodar a mheudachadh le bhith a' cur àireamh nas motha de monolayers taobh a-staigh sòn an tunail, air a sgaradh le sreathan tana de hBN.
Rinn an luchd-rannsachaidh deuchainn cuideachd air buaidh resonator detuning air polariton EL le bhith a’ dèanamh inneal eile, ach le detuning nas làidire (-43 meV).
Ìomhaigh #4
Air an dealbh 4 Tha speactra EL le rùn ceàrnach de dh’ inneal mar sin air a shealltainn aig dùmhlachd gnàthach de 0.2 μA / μm2. Mar thoradh air an detuning làidir, tha an inneal a’ nochdadh buaidh botail follaiseach anns an EL leis a ’char as àirde de sgaoilidhean a’ tachairt aig ceàrn mhòr. Tha seo air a dhearbhadh tuilleadh san ìomhaigh 4b, far a bheil grafaichean pòla an inneil seo air an coimeas ris a’ chiad fhear (2c).
Airson eòlas nas mionaidiche air nuances an sgrùdaidh, tha mi a’ moladh coimhead air .
Epilogue
Mar sin, tha a h-uile sealladh agus tomhas a tha air a mhìneachadh gu h-àrd a’ dearbhadh gu bheil electroluminescence polariton ann an heterostructure vdW air a thogail a-steach do mhicrocavity optigeach. Tha ailtireachd tunail an inneil a tha fo sgrùdadh a’ dèanamh cinnteach gun tèid dealanan/tuill a thoirt a-steach agus ath-thionndadh anns a’ monolayer WS2, a tha na inneal-sgaoilidh solais. Tha e cudromach nach eil feum air uidheamachd tunail an inneil a bhith a’ ceangal cho-phàirtean, a lughdaicheas call agus diofar atharrachaidhean co-cheangailte ri teòthachd.
Chaidh a lorg gu bheil stiùir àrd aig EL mar thoradh air sgapadh an resonator. Mar sin, le bhith a’ leasachadh bàillidh càileachd caise agus lìbhrigeadh sruth nas àirde leasaichidh sin èifeachdas LEDan microcavity, a bharrachd air polaritons microcavity fo smachd dealanach agus lasers photonic.
Dhearbh an obair seo a-rithist gu bheil feartan fìor shònraichte aig dichalcogenides meatailt gluasaid agus raon farsaing de thagraidhean.
Faodaidh an leithid de rannsachadh agus innleachdan ùr-ghnàthach buaidh mhòr a thoirt air leasachadh agus sgaoileadh theicneòlasan tar-chuir dàta a’ cleachdadh LEDs agus an solas fhèin. Tha teicneòlasan teachdail mar seo a’ toirt a-steach Li-Fi, a bheir seachad astaran gu math nas àirde na an Wi-Fi a tha ri fhaighinn an-dràsta.
Tapadh leibh airson an leughadh, fuirich fiosrach agus bi seachdain air leth math a ghillean! 🙂
Tapadh leibh airson fuireach còmhla rinn. An toil leat na h-artaigilean againn? A bheil thu airson susbaint nas inntinniche fhaicinn? Thoir taic dhuinn le bhith a’ cur òrdugh no a’ moladh do charaidean, Lasachadh de 30% airson luchd-cleachdaidh Habr air analog sònraichte de luchd-frithealaidh ìre inntrigidh, a chaidh a chruthachadh leinn dhut: (ri fhaighinn le RAID1 agus RAID10, suas ri 24 cores agus suas ri 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 uair nas saoire? A-mhàin an seo anns an Òlaind! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - bho $99! Leugh mu dheidhinn
Source: www.habr.com