Évek óta a világ minden tájáról érkező tudósok két dolgot csinálnak: feltalálnak és javítanak. És néha nem világos, hogy ezek közül melyik a nehezebb. Vegyük például a közönséges LED-eket, amelyek olyan egyszerűnek és hétköznapinak tűnnek számunkra, hogy nem figyelünk rájuk. De ha ízlés szerint hozzáadunk néhány excitont, csipetnyi polaritont és wolfram-diszulfidot, a LED-ek már nem lesznek olyan prózaiak. Mindezek a szűkszavú kifejezések rendkívül szokatlan komponensek nevei, amelyek kombinációja lehetővé tette a New York-i City College tudósai számára, hogy olyan új rendszert hozzanak létre, amely rendkívül gyorsan képes továbbítani az információkat a fény segítségével. Ez a fejlesztés segít a Li-Fi technológia fejlesztésében. Pontosan milyen alapanyagokból készült az új technológia, mi a receptje ennek az "ételnek" és milyen hatásfokkal rendelkezik az új exciton-polariton LED? A tudósok beszámolója fog erről mesélni. Megy.
Kutatási alap
Ha mindent egy szóra leegyszerűsítünk, akkor ez a technológia könnyű és minden, ami ehhez kapcsolódik. Először is, a polaritonok, amelyek akkor keletkeznek, amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek a közepes gerjesztésekkel (fononok, excitonok, plazmonok, magnonok stb.). Másodszor, az excitonok dielektrikumban, félvezetőben vagy fémben történő elektronikus gerjesztés, amely átvándorol a kristályon, és nem kapcsolódik az elektromos töltés és a tömeg átviteléhez.
Fontos megjegyezni, hogy ezek a kvázi részecskék nagyon szeretik a hideget; aktivitásuk csak rendkívül alacsony hőmérsékleten figyelhető meg, ami gyakorlati alkalmazásukat erősen korlátozza. De ez korábban volt. Ebben a munkában a tudósok képesek voltak leküzdeni a hőmérsékleti korlátozást, és szobahőmérsékleten használhatták őket.
A polaritonok fő jellemzője, hogy képesek a fotonokat egymáshoz kötni. A rubídium atomokkal ütköző fotonok tömeget szereznek. A többszörös ütközések során a fotonok visszapattannak egymástól, de ritka esetekben párokat, hármasokat alkotnak, miközben elveszítik a rubídium atom által képviselt atomi komponenst.
De ahhoz, hogy valamit kezdjünk a fénnyel, meg kell fogni. Ehhez optikai rezonátorra van szükség, amely fényvisszaverő elemek kombinációja, amelyek álló fényhullámot alkotnak.
Ebben a vizsgálatban döntő szerepet kapnak a még szokatlanabb kvázirészecskék, az exciton-polaritonok, amelyek egy optikai üregben rekedt excitonok és fotonok erős kapcsolódása következtében jönnek létre.
Ez azonban nem elég, mert úgymond anyagi alapra van szükség. És ki fogja jobban betölteni ezt a szerepet, ha nem az átmenetifém-dikalkogenid (TDM). Pontosabban, egy WS2 (volfram-diszulfid) monoréteget használtak kibocsátó anyagként, amely lenyűgöző exciton kötési energiákkal rendelkezik, és ez lett az anyagalap kiválasztásának egyik fő kritériuma.
Az összes fent leírt elem kombinációja lehetővé tette egy szobahőmérsékleten működő, elektromosan vezérelt polariton LED létrehozását.
Ennek az eszköznek a megvalósításához a WS2 egyrétegű réteg vékony hatszögletű bór-nitrid (hBN) alagútgát között helyezkedik el, grafénrétegekkel, amelyek elektródákként működnek.
Kutatási eredmények
A WS2, amely egy átmenetifém-dikalkogenid, szintén atomi vékony van der Waals (vdW) anyag. Ez jelzi egyedi elektromos, optikai, mechanikai és termikus tulajdonságait.
Más vdW anyagokkal, például grafénnel (vezetőként) és hatszögletű bór-nitriddel (hBN, szigetelőként) kombinálva számos elektromosan vezérelt félvezető eszköz, köztük LED-ek valósíthatók meg. A van der Waals anyagok és polaritonok hasonló kombinációit már korábban is megvalósították, ahogy a kutatók őszintén állítják. A korábbi írásokban azonban az így létrejövő rendszerek bonyolultak és tökéletlenek voltak, és nem tárták fel az egyes összetevők teljes potenciálját.
Az egyik elődök által inspirált ötlet egy kétdimenziós anyagplatform alkalmazása volt. Ebben az esetben lehetőség nyílik olyan atomosan vékony emissziós rétegű eszközök megvalósítására, amelyek más, érintkezőként (grafén) és alagútként (hBN) működő vdW anyagokkal integrálhatók. Ezenkívül ez a kétdimenziós kialakítás lehetővé teszi a polariton LED-ek kombinálását szokatlan mágneses tulajdonságokkal, erős szupravezetéssel és/vagy nem szabványos topológiai transzferekkel rendelkező vdW anyagokkal. Egy ilyen kombináció eredményeként egy teljesen új típusú készüléket kaphat, amelynek tulajdonságai nagyon szokatlanok lehetnek. De ahogy a tudósok mondják, ez egy másik tanulmány témája.
1. kép
A képen 1a egy réteg tortára emlékeztető eszköz háromdimenziós modelljét mutatja be. Az optikai rezonátor felső tükre ezüstréteg, az alsó pedig 12 rétegű elosztott Bragg reflektor*. Az aktív régióban van egy alagútzóna.
Elosztott Bragg reflektor* - több rétegből álló szerkezet, amelyben az anyag törésmutatója periodikusan a rétegekre merőlegesen változik.
Az alagútzóna vdW heterostruktúrából áll, amely egy WS2 monorétegből (fénykibocsátó), vékony hBN rétegekből az egyrétegű réteg mindkét oldalán (alagútgát) és grafénből (átlátszó elektródák elektronok és lyukak bejuttatására) áll.
Két további WS2 réteget adtunk hozzá, hogy növeljük az oszcillátor összerősségét, és ezáltal a polariton állapotok kifejezettebb Rabi-hasadását érjük el.
A rezonátor működési módját a PMMA réteg (polimetil-metakrilát, azaz plexi) vastagságának változtatásával hangoljuk.
Изображение 1b ez egy pillanatfelvétel egy vdW heterostruktúráról egy elosztott Bragg reflektor felületén. Az alsó réteget jelentő elosztott Bragg reflektor nagy reflexiója miatt a képen látható alagútzóna nagyon alacsony reflexiós kontraszttal rendelkezik, aminek következtében csak a hBN felső vastag rétege figyelhető meg.
Menetrend 1s ábrázolja a vdW heterostruktúra zónadiagramját az alagút geometriájában elmozdulás alatt. Az elektrolumineszcenciát (EL) a küszöbfeszültség felett figyeljük meg, ha a felső (alsó) grafén Fermi-szintje a WS2 vezetési (valencia) sáv fölé (alatt) tolódik, lehetővé téve egy elektron (lyuk) alagútba való bejutását a WS2 vezetési (valencia) sávba. Zenekar. Ez kedvező feltételeket teremt a WS2 rétegben az excitonok kialakulásához, majd ezt követi a sugárzásos (sugárzásos) elektron-lyuk rekombináció.
Ellentétben a pn átmeneten alapuló fénykibocsátókkal, amelyek működéséhez dopping szükséges, az alagúteszközök EL-értéke kizárólag az alagútáramtól függ, ami elkerüli az optikai veszteségeket és a hőmérsékletváltozások okozta ellenállás-változásokat. Ugyanakkor az alagút architektúra sokkal nagyobb sugárzási területet tesz lehetővé a pn átmeneten alapuló dikalkogenid eszközökhöz képest.
Изображение 1d bemutatja az alagút áramsűrűség elektromos jellemzőit (J) az előfeszítő feszültség függvényében (V) a grafénelektródák között. Mind a pozitív, mind a negatív feszültség éles növekedése alagútáram előfordulását jelzi a szerkezeten keresztül. A hBN rétegek optimális vastagságánál (~2 nm) jelentős alagútáram és a sugárzási rekombinációhoz beültetett hordozók élettartamának növekedése figyelhető meg.
Az elektrolumineszcenciás kísérlet előtt az eszközt fehér fényvisszaverő képességgel jellemezték szögfelbontással, hogy megerősítsék az erős excitonkötés jelenlétét.
2. kép
A képen 2a Az eszköz aktív tartományából származó szögfelbontású reflexiós spektrumok láthatók, amelyek keresztezés-ellenes viselkedést mutatnak. A fotolumineszcenciát (PL) is megfigyelték nem rezonáns gerjesztéssel (460 nm), amely intenzív emissziót mutatott a polariton alsó ágából és gyengébb emissziót a polariton felső ágából (2b).
tovább 2s egy polariton elektrolumineszcenciájának diszperzióját mutatjuk be 0.1 μA/μm2 inszerció esetén. Az oszcillátor üzemmódok (folytonos és szaggatott fehér vonal) elektrolumineszcencia kísérletbe illesztésével kapott Rabi-hasadás és rezonátor detuning ～33 meV, illetve ～-13 meV. A rezonátor detuning definíciója: δ = Ec − Ex, ahol Ex a gerjesztő energia, Ec pedig a rezonátor foton energiája nulla síkbeli impulzussal. Menetrend 2d ez az elektrolumineszcens diszperziótól eltérő szögű vágás. Itt jól látható a felső és alsó polariton módusok diszperziója, a gerjesztő rezonancia zónában fellépő antikeresztezéssel.
3. kép
Az alagútáram növekedésével a teljes EL intenzitás növekszik. A polaritonokból származó gyenge EL figyelhető meg a küszöbeltolódás közelében (3a), míg a küszöbérték feletti kellően nagy eltolódásnál a polariton emisszió megkülönböztethetővé válik (3b).
A képen 3s ábra az EL intenzitás poláris grafikonját mutatja a szög függvényében, egy keskeny, ± 15°-os emissziós kúpot ábrázolva. A sugárzási kép gyakorlatilag változatlan marad mind a minimális (zöld görbe), mind a maximális (narancssárga görbe) gerjesztési áram esetén. Tovább 3d az integrált intenzitás különböző mozgó alagútáramok esetén látható, ami a grafikonon látható módon meglehetősen lineáris. Ezért az áramerősség magas értékekre emelése a polaritonok sikeres szóródásához vezethet az alsó ág mentén, és rendkívül szűk sugárzási mintázatot hozhat létre a polaritonok keletkezése miatt. Ebben a kísérletben azonban ez nem volt lehetséges a hBN alagútgát dielektromos lebomlásával kapcsolatos korlátok miatt.
piros pöttyök rajta 3d egy másik – külső – indikátor méréseit mutatják kvantumhatékonyság*.
Kvantumhatékonyság* Azon fotonok számának aránya, amelyeknek abszorpciója a kvázirészecskék képződését okozta, az elnyelt fotonok teljes számához viszonyítva.
A megfigyelt kvantumhatékonyság összehasonlítható más polariton LED-ekkel (szerves anyagok, széncsövek stb. alapján). Megjegyzendő, hogy a vizsgált készülékben a fénykibocsátó réteg vastagsága mindössze 0.7 nm, míg más készülékekben ez az érték jóval magasabb. A tudósok nem titkolják, hogy készülékük kvantumhatékonysági indexe nem a legmagasabb, de növelhető, ha az alagútzónán belül nagyobb számú egyrétegű réteget helyeznek el, amelyeket vékony hBN rétegek választanak el.
A kutatók a rezonátor elhangolásának az EL polaritonra gyakorolt hatását is tesztelték egy másik, de erősebb (-43 meV) detuninggal rendelkező eszköz elkészítésével.
4. kép
A képen 4a Az EL-spektrumok egy ilyen eszköz szögfelbontásával jelennek meg 0.2 μA/μm2 áramsűrűség mellett. Az erős detuning miatt a készülék kifejezett szűk keresztmetszet hatást mutat az EL-ben, nagy szögben jelentkező emissziós maximummal. Ezt tovább erősíti a kép. 4b, ahol ennek az eszköznek a poláris diagramjait összehasonlítjuk az elsővel (2s).
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg .
Epilógus
Így az összes fent leírt megfigyelés és mérés megerősíti a polariton elektrolumineszcencia jelenlétét egy optikai mikroüregbe ágyazott vdW heterostruktúrában. A vizsgált eszköz alagút-architektúrája biztosítja az elektronok/lyukak bejutását és a rekombinációt a fénykibocsátóként szolgáló WS2 egyrétegű rétegben. Fontos, hogy az eszköz alagútmechanizmusa ne igényeljen az alkatrészek ötvözetét, ami minimalizálja a veszteségeket és a különféle hőmérséklet-változásokat.
Megállapítást nyert, hogy az EL-nek nagy az irányítottsága a rezonátor diszperziója miatt. Ezért a rezonátor minőségi tényezőjének javítása és a nagyobb áramellátás javítja a mikroüreges LED-ek, valamint az elektromosan vezérelt mikroüreges polaritonok és fotonlézerek hatékonyságát.
Ez a munka ismét megerősítette, hogy az átmenetifém-dikalkogenidek valóban egyedülálló tulajdonságokkal és igen széles körű alkalmazási lehetőséggel rendelkeznek.
Az ilyen kutatások és innovatív találmányok nagymértékben befolyásolhatják az adatátviteli technológiák fejlesztését és terjesztését a LED-eken és magán a fényen keresztül. Ilyen futurisztikus technológiák közé tartozik a Li-Fi, amely lényegesen nagyobb sebességet tud biztosítani, mint a jelenleg elérhető Wi-Fi.
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak és szép hetet mindenkinek! 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com