लाई-फाई का भविष्य: पोलारिटोन, एक्सिटॉन, फोटॉन और थोड़ा टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड

कई वर्षों से, दुनिया भर के वैज्ञानिक दो काम कर रहे हैं - आविष्कार करना और सुधार करना। और कभी-कभी यह स्पष्ट नहीं होता कि कौन अधिक कठिन है। उदाहरण के लिए साधारण एलईडी को ही लें, जो हमें इतनी सरल और साधारण लगती हैं कि हम उन पर ध्यान ही नहीं देते। लेकिन अगर आप स्वाद के लिए कुछ एक्सिटॉन, एक चुटकी पोलारिटोन और टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड मिलाते हैं, तो एलईडी अब उतनी आकर्षक नहीं रह जाएंगी। ये सभी गूढ़ शब्द बेहद असामान्य घटकों के नाम हैं, जिनके संयोजन ने न्यूयॉर्क के सिटी कॉलेज के वैज्ञानिकों को प्रकाश का उपयोग करके बेहद तेज़ी से जानकारी प्रसारित करने में सक्षम एक नई प्रणाली बनाने की अनुमति दी। इस विकास से लाई-फाई तकनीक को बेहतर बनाने में मदद मिलेगी। नई तकनीक की कौन सी सटीक सामग्री का उपयोग किया गया था, इस "डिश" के लिए नुस्खा क्या है और नई एक्सिटॉन-पोलरिटॉन एलईडी की परिचालन क्षमता क्या है? इस बारे में वैज्ञानिकों की रिपोर्ट हमें बताएगी. जाना।

अनुसंधान आधार

अगर हम हर चीज को एक शब्द में सरल कर दें तो यह तकनीक हल्की है और इससे जुड़ी हर चीज हल्की है। सबसे पहले, पोलारिटोन, जो तब उत्पन्न होते हैं जब फोटॉन माध्यम के उत्तेजनाओं (फोनन, एक्सिटॉन, प्लास्मोन, मैग्नॉन, आदि) के साथ बातचीत करते हैं। दूसरे, एक्सिटॉन एक ढांकता हुआ, अर्धचालक या धातु में इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना होते हैं जो पूरे क्रिस्टल में स्थानांतरित होते हैं और विद्युत आवेश और द्रव्यमान के हस्तांतरण से जुड़े नहीं होते हैं।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ये क्वासिपार्टिकल्स ठंड से बहुत प्यार करते हैं, यानी। उनकी गतिविधि केवल बेहद कम तापमान पर ही देखी जा सकती है, जो उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग को बहुत सीमित कर देती है। लेकिन वह पहले था. इस कार्य में, वैज्ञानिक तापमान की सीमा को पार करने और उन्हें कमरे के तापमान पर उपयोग करने में सक्षम थे।

पोलारिटोन की मुख्य विशेषता फोटॉन को एक दूसरे से बांधने की क्षमता है। रुबिडियम परमाणुओं से टकराकर फोटॉन द्रव्यमान प्राप्त कर लेते हैं। बार-बार टकराने की प्रक्रिया में, फोटॉन एक-दूसरे से उछलते हैं, लेकिन दुर्लभ मामलों में वे जोड़े और ट्रिपल बनाते हैं, जबकि रूबिडियम परमाणु द्वारा दर्शाए गए परमाणु घटक को खो देते हैं।

लेकिन प्रकाश के साथ कुछ करने के लिए आपको इसे पकड़ने की जरूरत है। इसके लिए एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर की आवश्यकता होती है, जो परावर्तक तत्वों का एक सेट है जो एक स्थायी प्रकाश तरंग बनाता है।

इस अध्ययन में, सबसे महत्वपूर्ण भूमिका और भी अधिक असामान्य क्वासिपार्टिकल्स - एक्सिटॉन-पोलारिटोन द्वारा निभाई जाती है, जो एक ऑप्टिकल गुहा में फंसे एक्सिटॉन और फोटॉन के मजबूत युग्मन के कारण बनते हैं।

हालाँकि, यह पर्याप्त नहीं है, क्योंकि कहने के लिए, एक भौतिक आधार की आवश्यकता है। और ट्रांज़िशन मेटल डाइक्लोजेनाइड (टीएमडी) से बेहतर यह भूमिका कौन निभाएगा? अधिक सटीक रूप से, एक WS2 (टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड) मोनोलेयर का उपयोग उत्सर्जक सामग्री के रूप में किया गया था, जिसमें प्रभावशाली एक्साइटन बाइंडिंग ऊर्जा होती है, जो सामग्री आधार चुनने के लिए मुख्य मानदंडों में से एक बन गई।

ऊपर वर्णित सभी तत्वों के संयोजन से कमरे के तापमान पर संचालित विद्युत नियंत्रित पोलारिटोन एलईडी बनाना संभव हो गया।

इस उपकरण को साकार करने के लिए, WS2 की एक मोनोलेयर को पतली हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (hBN) सुरंग बाधाओं के बीच ग्राफीन परतों के साथ इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य किया जाता है।

अध्ययन के परिणाम

WS2, एक संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड होने के कारण, एक परमाणु रूप से पतला वैन डेर वाल्स (vdW) पदार्थ भी है। यह इसके अद्वितीय विद्युत, ऑप्टिकल, यांत्रिक और तापीय गुणों को दर्शाता है।

अन्य वीडीडब्ल्यू सामग्रियों, जैसे ग्राफीन (एक कंडक्टर के रूप में) और हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एचबीएन, एक इन्सुलेटर के रूप में) के संयोजन में, विद्युत नियंत्रित अर्धचालक उपकरणों की एक पूरी मेजबानी, जिसमें एलईडी शामिल हैं, का एहसास किया जा सकता है। जैसा कि शोधकर्ता खुले तौर पर बताते हैं, वैन डेर वाल्स सामग्री और पोलारिटोन के समान संयोजन पहले ही महसूस किए जा चुके हैं। हालाँकि, पिछले कार्यों में, परिणामी प्रणालियाँ जटिल और अपूर्ण थीं, और प्रत्येक घटक की पूरी क्षमता को प्रकट नहीं करती थीं।

पूर्ववर्तियों से प्रेरित विचारों में से एक द्वि-आयामी सामग्री मंच का उपयोग था। इस मामले में, परमाणु रूप से पतली उत्सर्जक परतों वाले उपकरणों को साकार करना संभव है, जिन्हें संपर्क (ग्राफीन) और सुरंग बाधाओं (एचबीएन) के रूप में कार्य करने वाली अन्य वीडीडब्ल्यू सामग्रियों के साथ एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, ऐसी द्वि-आयामीता वीडीडब्ल्यू सामग्रियों के साथ पोलरिटॉन एलईडी को संयोजित करना संभव बनाती है जिसमें असामान्य चुंबकीय गुण, मजबूत सुपरकंडक्टिविटी और/या गैर-मानक टोपोलॉजिकल ट्रांसफर होते हैं। इस तरह के संयोजन के परिणामस्वरूप, एक बिल्कुल नए प्रकार का उपकरण प्राप्त किया जा सकता है, जिसके गुण काफी असामान्य हो सकते हैं। लेकिन, जैसा कि वैज्ञानिक कहते हैं, यह एक अन्य अध्ययन का विषय है।

छवि #1

छवि पर 1а एक डिवाइस का त्रि-आयामी मॉडल दिखाता है जो एक लेयर केक जैसा दिखता है। ऑप्टिकल रेज़ोनेटर का ऊपरी दर्पण चांदी की एक परत है, और निचला दर्पण 12-परत वितरित है ब्रैग रिफ्लेक्टर*. सक्रिय क्षेत्र में एक सुरंग क्षेत्र शामिल है।

वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर* - कई परतों की एक संरचना जिसमें सामग्री का अपवर्तनांक समय-समय पर परतों के लंबवत बदलता रहता है।

सुरंग क्षेत्र में एक वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर होता है जिसमें डब्लूएस2 मोनोलेयर (प्रकाश उत्सर्जक), मोनोलेयर (सुरंग बाधा) के दोनों किनारों पर एचबीएन की पतली परतें और ग्राफीन (इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को पेश करने के लिए पारदर्शी इलेक्ट्रोड) शामिल होते हैं।

थरथरानवाला की समग्र शक्ति को बढ़ाने के लिए WS2 की दो और परतें जोड़ी गईं और इसलिए ध्रुवीय अवस्थाओं के अधिक स्पष्ट रबी विभाजन का उत्पादन किया गया।

रेज़ोनेटर के ऑपरेटिंग मोड को पीएमएमए परत (पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट, यानी प्लेक्सीग्लास) की मोटाई को बदलकर समायोजित किया जाता है।

Изображение 1b यह एक वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर की सतह पर एक वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर का एक स्नैपशॉट है। वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर की उच्च परावर्तनशीलता के कारण, जो कि निचली परत है, छवि में सुरंग क्षेत्र में बहुत कम परावर्तन कंट्रास्ट होता है, जिसके परिणामस्वरूप केवल शीर्ष मोटी एचबीएन परत देखी जाती है।

अनुसूची 1с विस्थापन के तहत सुरंग ज्यामिति में हेटरोस्ट्रक्चर का वीडीडब्ल्यू ज़ोन आरेख है। इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस (ईएल) को थ्रेशोल्ड वोल्टेज के ऊपर देखा जाता है जब शीर्ष (नीचे) ग्राफीन का फर्मी स्तर डब्ल्यूएस 2 के चालन (वैलेंस) बैंड के ऊपर (नीचे) स्थानांतरित हो जाता है, जिससे एक इलेक्ट्रॉन (छेद) को चालन (वैलेंस) में सुरंग बनाने की अनुमति मिलती है। WS2 का बैंड. यह WS2 परत में एक्साइटॉन के गठन के लिए अनुकूल परिस्थितियों का निर्माण करता है, जिसके बाद विकिरणशील (रेडिएटिव) इलेक्ट्रॉन-छिद्र पुनर्संयोजन होता है।

पीएन जंक्शन प्रकाश उत्सर्जकों के विपरीत, जिन्हें संचालित करने के लिए डोपिंग की आवश्यकता होती है, सुरंग उपकरणों से ईएल पूरी तरह से सुरंग के वर्तमान पर निर्भर करता है, ऑप्टिकल नुकसान और तापमान परिवर्तन के कारण प्रतिरोधकता में किसी भी बदलाव से बचता है। साथ ही, सुरंग वास्तुकला पीएन जंक्शनों पर आधारित डाइक्लोजेनाइड उपकरणों की तुलना में बहुत बड़े उत्सर्जन क्षेत्र की अनुमति देती है।

Изображение 1d टनलिंग वर्तमान घनत्व की विद्युत विशेषताओं को प्रदर्शित करता है (J) पूर्वाग्रह वोल्टेज के एक समारोह के रूप में (V) ग्राफीन इलेक्ट्रोड के बीच। सकारात्मक और नकारात्मक दोनों वोल्टेज के लिए करंट में तेज वृद्धि संरचना के माध्यम से टनलिंग करंट की घटना को इंगित करती है। एचबीएन परतों (~2 एनएम) की इष्टतम मोटाई पर, एक महत्वपूर्ण टनलिंग करंट और विकिरण पुनर्संयोजन के लिए एम्बेडेड वाहक के जीवनकाल में वृद्धि देखी जाती है।

इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस प्रयोग करने से पहले, मजबूत एक्साइटोनिक युग्मन की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए डिवाइस को कोण-संकल्पित सफेद प्रकाश परावर्तन की विशेषता दी गई थी।

छवि #2

छवि पर 2а डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र से कोण-समाधान परावर्तन स्पेक्ट्रा दिखाया गया है, जो एंटी-क्रॉसिंग व्यवहार को प्रदर्शित करता है। गैर-गुंजयमान उत्तेजना (460 एनएम) के तहत फोटोल्यूमिनेसेंस (पीएल) भी देखा गया, जो निचली ध्रुवीय शाखा से तीव्र उत्सर्जन और ऊपरी ध्रुवीय शाखा से कमजोर उत्सर्जन दिखा रहा है (2b).

पर 2с 0.1 μA/μm2 की इंजेक्शन दर पर पोलारिटोन इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस के फैलाव को दर्शाता है। ईएल प्रयोग में ऑसिलेटर मोड (ठोस और धराशायी सफेद रेखा) को फिट करके प्राप्त रबी विभाजन और कैविटी डिट्यूनिंग क्रमशः ～33 meV और ～-13 meV हैं। कैविटी डिट्यूनिंग को δ = Ec - Ex के रूप में परिभाषित किया गया है, जहां Ex एक्सिटॉन ऊर्जा है और Ec इन-प्लेन शून्य-संवेग कैविटी फोटॉन ऊर्जा को दर्शाता है। अनुसूची 2d यह इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट फैलाव से विभिन्न कोणों पर किया गया कट है। यहां, एक्साइटन अनुनाद क्षेत्र में होने वाली एंटीक्रॉसिंग के साथ ऊपरी और निचले पोलारिटोन मोड का फैलाव स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।

छवि #3

जैसे-जैसे टनलिंग करंट बढ़ता है, समग्र ईएल तीव्रता बढ़ती है। पोलारिटोन से कमजोर ईएल थ्रेशोल्ड शिफ्ट के पास देखा जाता है (3а), जबकि दहलीज के ऊपर पर्याप्त रूप से बड़े विस्थापन पर, पोलरिटोन उत्सर्जन अलग हो जाता है (3b).

छवि पर 3с कोण के फलन के रूप में ईएल तीव्रता का एक ध्रुवीय प्लॉट दिखाता है, जो ±15° के एक संकीर्ण उत्सर्जन शंकु को दर्शाता है। न्यूनतम (हरा वक्र) और अधिकतम (नारंगी वक्र) उत्तेजना धारा दोनों के लिए विकिरण पैटर्न वस्तुतः अपरिवर्तित रहता है। पर 3d विभिन्न गतिमान सुरंग धाराओं के लिए एकीकृत तीव्रता को दर्शाता है, जो, जैसा कि ग्राफ से देखा जा सकता है, काफी रैखिक है। इसलिए, धारा को उच्च मूल्यों तक बढ़ाने से निचली शाखा के साथ पोलारिटोन का सफल बिखराव हो सकता है और पोलारिटोन पीढ़ी के कारण एक अत्यंत संकीर्ण उत्सर्जन पैटर्न बन सकता है। हालाँकि, इस प्रयोग में एचबीएन टनल बैरियर के ढांकता हुआ टूटने से जुड़ी सीमा के कारण इसे हासिल करना संभव नहीं था।

लाल बिंदु पर 3d किसी अन्य संकेतक का माप दिखाएं - बाहरी क्वांटम दक्षता*.

क्वांटम दक्षता* - फोटॉनों की संख्या का अनुपात, जिसके अवशोषण के कारण क्वासिपार्टिकल्स का निर्माण हुआ, अवशोषित फोटॉनों की कुल संख्या से।

देखी गई क्वांटम दक्षता अन्य पोलारिटोन एलईडी (कार्बनिक सामग्री, कार्बन ट्यूब आदि पर आधारित) के बराबर है। यह ध्यान देने योग्य है कि अध्ययन के तहत डिवाइस में प्रकाश उत्सर्जक परत की मोटाई केवल 0.7 एनएम है, जबकि अन्य उपकरणों में यह मान बहुत अधिक है। वैज्ञानिक इस तथ्य को नहीं छिपाते हैं कि उनके उपकरण की क्वांटम दक्षता उच्चतम नहीं है, लेकिन एचबीएन की पतली परतों द्वारा अलग किए गए सुरंग क्षेत्र के अंदर बड़ी संख्या में मोनोलेयर रखकर इसे बढ़ाया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने एक अन्य उपकरण बनाकर पोलारिटोन ईएल पर रेज़ोनेटर डिट्यूनिंग के प्रभाव का भी परीक्षण किया, लेकिन एक मजबूत डिट्यूनिंग (-43 एमईवी) के साथ।

छवि #4

छवि पर 4а ऐसे उपकरण के कोणीय रिज़ॉल्यूशन वाले ईएल स्पेक्ट्रा को 0.2 μA/μm2 के वर्तमान घनत्व पर दिखाया गया है। मजबूत डिट्यूनिंग के कारण, डिवाइस बड़े कोण पर उत्सर्जन अधिकतम होने के साथ ईएल में एक स्पष्ट बाधा प्रभाव प्रदर्शित करता है। छवि में इसकी और पुष्टि की गई है 4b, जहां इस उपकरण के ध्रुवीय ग्राफ़ की तुलना पहले वाले से की जाती है (2с).

अध्ययन की बारीकियों के साथ अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं देखने की सलाह देता हूं वैज्ञानिकों की रिपोर्ट.

उपसंहार

इस प्रकार, ऊपर वर्णित सभी अवलोकन और माप एक ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी में निर्मित वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर में पोलारिटोन इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं। अध्ययन के तहत डिवाइस की सुरंग वास्तुकला WS2 मोनोलेयर में इलेक्ट्रॉनों/छेदों की शुरूआत और पुनर्संयोजन सुनिश्चित करती है, जो प्रकाश उत्सर्जक के रूप में कार्य करता है। यह महत्वपूर्ण है कि डिवाइस के सुरंग तंत्र को घटकों के मिश्रधातु की आवश्यकता नहीं होती है, जो नुकसान और विभिन्न तापमान-संबंधित परिवर्तनों को कम करता है।

यह पाया गया कि अनुनादक के फैलाव के कारण ईएल में उच्च दिशा है। इसलिए, कैविटी गुणवत्ता कारक में सुधार और उच्च वर्तमान वितरण से माइक्रोकैविटी एलईडी, साथ ही विद्युत नियंत्रित माइक्रोकैविटी पोलारिटोन और फोटोनिक लेजर की दक्षता में सुधार होगा।

इस कार्य ने एक बार फिर पुष्टि की है कि संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स में वास्तव में अद्वितीय गुण हैं और अनुप्रयोगों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला है।

इस तरह के अनुसंधान और नवीन आविष्कार एलईडी और प्रकाश का उपयोग करके डेटा ट्रांसमिशन प्रौद्योगिकियों के विकास और प्रसार को बहुत प्रभावित कर सकते हैं। ऐसी भविष्यवादी प्रौद्योगिकियों में लाई-फाई शामिल है, जो वर्तमान में उपलब्ध वाई-फाई की तुलना में काफी अधिक गति प्रदान कर सकती है।

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स्रोत: www.habr.com