Երկար տարիներ ամբողջ աշխարհի գիտնականները երկու բան են անում՝ հորինել և կատարելագործել: Եվ երբեմն պարզ չէ, թե դրանցից որն է ավելի դժվար: Վերցրեք, օրինակ, սովորական LED-ները, որոնք մեզ այնքան պարզ և սովորական են թվում, որ մենք նույնիսկ ուշադրություն չենք դարձնում դրանց: Բայց եթե ավելացնեք մի քանի էքսիտոններ, մի պտղունց պոլարիտոններ և վոլֆրամի դիսուլֆիդ ըստ ճաշակի, LED-ները այլևս այնքան պրոզայիկ չեն լինի: Այս բոլոր շքեղ տերմինները որոշ շատ անսովոր բաղադրիչների անուններ են, որոնք միավորվելիս թույլ են տվել Նյու Յորքի քաղաքային քոլեջի գիտնականներին ստեղծել նոր համակարգ, որը կարող է չափազանց արագ տեղեկատվություն փոխանցել լույսի միջոցով: Այս զարգացումը կօգնի բարելավել Li-Fi տեխնոլոգիան: Կոնկրետ որո՞նք են նոր տեխնոլոգիայի բաղադրիչները, ո՞րն է այս «ճաշատեսակի» բաղադրատոմսը և ինչպիսի՞ն է նոր էքսիտոն-պոլարիտոն LED-ի արդյունավետությունը: Այս մասին մեզ կպատմի գիտնականների զեկույցը։ Եկեք գնանք։
Հետազոտության հիմքը
Եթե ամեն ինչ պարզեցնենք մեկ բառով, ապա այս տեխնոլոգիան թեթև է և դրա հետ կապված ամեն ինչ։ Նախ՝ պոլարիտոնները, որոնք առաջանում են ֆոտոնների փոխազդեցությունից միջավայրի գրգռումների հետ (ֆոնոններ, էքսիտոններ, պլազմոններ, մագնոններ և այլն)։ Երկրորդ, էքսիտոնները էլեկտրոնային գրգռումներ են դիէլեկտրիկի, կիսահաղորդչի կամ մետաղի մեջ, որոնք գաղթում են բյուրեղի միջով և կապված չեն էլեկտրական լիցքի և զանգվածի փոխանցման հետ:
Կարևոր է նշել, որ այս քվազիմասնիկները շատ են սիրում ցուրտ, այսինքն՝ նրանց ակտիվությունը կարելի է դիտել միայն ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում, ինչը մեծապես սահմանափակում է դրանց գործնական կիրառումը: Բայց դա նախկինում էր: Այս աշխատանքում գիտնականները կարողացան հաղթահարել ջերմաստիճանի սահմանափակումը և օգտագործել դրանք սենյակային ջերմաստիճանում:
Պոլարիտոնների հիմնական առանձնահատկությունը ֆոտոնները միմյանց կապելու ունակությունն է։ Ռուբիդիումի ատոմներին բախվելիս ֆոտոնները զանգված են ստանում։ Բազմաթիվ բախումների ժամանակ ֆոտոնները ցատկում են միմյանցից, սակայն հազվադեպ դեպքերում նրանք ձևավորում են զույգեր և եռյակներ՝ կորցնելով իրենց ատոմային բաղադրիչը, որը ներկայացված է ռուբիդիումի ատոմով։
Բայց լույսի հետ ինչ-որ բան անելու համար հարկավոր է բռնել այն: Ահա թե ինչի համար է օպտիկական ռեզոնատորը, որը արտացոլող տարրերի մի շարք է, որոնք կազմում են կանգուն լույսի ալիք:
Այս ուսումնասիրության մեջ առանցքային դեր են խաղում նույնիսկ ավելի անսովոր քվազիմասնիկները՝ էքսիտոն-պոլարիտոնները, որոնք առաջանում են օպտիկական ռեզոնատորում թակարդված էքցիտոնների և ֆոտոնների ուժեղ զուգակցման պատճառով։
Սակայն դա բավարար չէ, քանի որ նյութական հիմք, այսպես ասած, անհրաժեշտ է։ Իսկ ով, եթե ոչ անցումային մետաղական դիքալկոգենիդ (TMD), այս դերը ավելի լավ կխաղա, քան մյուսները: Ավելի ճիշտ՝ որպես արտանետող նյութ օգտագործվել է WS2-ի (վոլֆրամի դիսուլֆիդ) միաշերտը, որն ունի էքսիտոն կապող տպավորիչ էներգիա, որը դարձել է նյութական բազայի ընտրության հիմնական չափանիշներից մեկը։
Բոլոր վերը նկարագրված տարրերի համադրությունը հնարավորություն տվեց ստեղծել էլեկտրական կառավարվող պոլիտոնային լուսադիոդ, որն աշխատում է սենյակային ջերմաստիճանում:
Այս սարքը ներդնելու համար WS2-ի միաշերտը տեղադրվում է բարակ վեցանկյուն բորի նիտրիդային (hBN) թունելի պատնեշների միջև՝ գրաֆենի շերտերով, որոնք գործում են որպես էլեկտրոդներ:
Ուսումնասիրության արդյունքները
WS2-ը, լինելով անցումային մետաղի դիքալկոգենիդ, նույնպես ատոմային բարակ վան դեր Վաալսի (vdW) նյութ է։ Սա խոսում է նրա յուրահատուկ էլեկտրական, օպտիկական, մեխանիկական և ջերմային հատկությունների մասին։
Այլ vdW նյութերի հետ համատեղ, ինչպիսիք են գրաֆենը (որպես հաղորդիչ) և վեցանկյուն բորի նիտրիդը (hBN, որպես մեկուսիչ), կարող են ստեղծվել էլեկտրական կառավարվող կիսահաղորդչային սարքերի մի ամբողջ շարք, ներառյալ LED-ները: Վան դեր Վալսի նյութերի և բևեռիտոնների նմանատիպ համակցություններ արդեն իսկ իրականացվել են նախկինում, ինչպես բացահայտ ասում են հետազոտողները։ Այնուամենայնիվ, նախորդ աշխատանքներում ստացված համակարգերը բարդ և անկատար էին և չէին բացահայտում բաղադրիչներից յուրաքանչյուրի ողջ ներուժը:
Իր նախորդների կողմից ոգեշնչված գաղափարներից մեկը երկչափ նյութական հարթակի օգտագործումն էր։ Այս դեպքում հնարավոր է ներդնել ատոմայինորեն բարակ արտանետման շերտերով սարքեր, որոնք կարող են ինտեգրվել այլ vdW նյութերի հետ, որոնք գործում են որպես կոնտակտներ (գրաֆեն) և թունելի խոչընդոտներ (hBN): Ավելին, նման երկչափությունը թույլ է տալիս համատեղել polariton LED-ները vdW նյութերի հետ, որոնք ունեն անսովոր մագնիսական հատկություններ, ուժեղ գերհաղորդականություն և/կամ ոչ ստանդարտ տոպոլոգիական փոխանցումներ: Նման համադրության արդյունքում հնարավոր է ձեռք բերել բոլորովին նոր տեսակի սարք, որի հատկությունները կարող են բավականին անսովոր լինել։ Բայց, ինչպես ասում են գիտնականները, սա այլ ուսումնասիրության թեմա է։
Պատկեր թիվ 1
Պատկերի վրա 1a Ցուցադրված է շերտավոր թխվածք հիշեցնող սարքի եռաչափ մոդել։ Օպտիկական ռեզոնատորի վերին հայելին արծաթի շերտ է, իսկ ստորին հայելին 12 շերտով բաշխված է։ Բրեգ ռեֆլեկտոր*. Ակտիվ շրջանը պարունակում է թունելային գոտի։
Բաշխված Bragg Reflector* — մի քանի շերտերից բաղկացած կառուցվածք, որում նյութի բեկման ինդեքսը պարբերաբար փոխվում է շերտերին ուղղահայաց։
Թունելի գոտին բաղկացած է vdW հետերոկառուցվածքից, որը բաղկացած է WS2 միաշերտից (լույս արտանետող), բարակ hBN շերտերից մենաշերտի երկու կողմերում (թունելի պատնեշ) և գրաֆենից (թափանցիկ էլեկտրոդներ էլեկտրոնների և անցքերի ներմուծման համար):
Ավելացվեցին ևս երկու WS2 շերտ, որպեսզի մեծացնեն տատանվողների ընդհանուր ուժը և, հետևաբար, առաջացնեն բևեռային վիճակների ավելի ցայտուն ռաբիս բաժանում:
Ռեզոնատորի աշխատանքային ռեժիմը կարգավորվում է PMMA (պոլիմեթիլ մետակրիլատ, այսինքն՝ օրգանական ապակի) շերտի հաստությունը փոխելով։
Изображение 1b Սա vdW հետերոկառուցվածքի լուսանկար է բաշխված Bragg ռեֆլեկտորի մակերեսին: DBR-ի բարձր արտացոլման շնորհիվ, որը հանդիսանում է ստորին շերտը, պատկերի թունելի հատվածը շատ ցածր արտացոլման հակադրություն ունի, ինչի արդյունքում տեսանելի է միայն վերին հաստ hBN շերտը:
Գույքացուցակ 1-ական թթ ներկայացնում է հետերոկառուցվածքի vdW գոտու դիագրամը թունելի երկրաչափության մեջ կողմնակալության պայմաններում: Էլեկտրոլյումինեսցենտությունը (EL) դիտվում է շեմային լարման վերևում, երբ վերին (ներքևի) գրաֆենի Fermi մակարդակը տեղափոխվում է WS2 հաղորդման (վալենտական) գոտու վերևում (ներքև), ինչը թույլ է տալիս էլեկտրոնին (անցք) թունել WS2 հաղորդման (վալենտային) գոտի: Սա բարենպաստ պայմաններ է ստեղծում WS2 շերտում էքցիտոնների առաջացման համար՝ հետագա ճառագայթային էլեկտրոն-անցք վերահամակցմամբ:
Ի տարբերություն pn-հանգույցի վրա հիմնված լույսի արտանետիչների, որոնք դոպինգ են պահանջում, թունելի սարքերի EL-ը կախված է բացառապես թունելի հոսանքից, որը խուսափում է օպտիկական կորուստներից և դիմադրողականության ցանկացած փոփոխությունից, որն առաջանում է ջերմաստիճանի փոփոխություններից: Միևնույն ժամանակ, թունելի ճարտարապետությունը թույլ է տալիս շատ ավելի մեծ արտանետումների շրջան՝ համեմատած pn հանգույցների վրա հիմնված դիքալկոգենիդ սարքերի հետ:
Изображение 1d ցույց է տալիս թունելի հոսանքի խտության էլեկտրական բնութագրերը (J) որպես կողմնակալ լարման ֆունկցիա (V) գրաֆենի էլեկտրոդների միջև: Թե՛ դրական, թե՛ բացասական լարման դեպքում հոսանքի կտրուկ աճը ցույց է տալիս կառուցվածքի միջով թունելային հոսանքի առաջացումը: hBN շերտերի օպտիմալ հաստությամբ (~2 նմ) նկատվում է զգալի թունելային հոսանք և ճառագայթային ռեկոմբինացիայի համար իմպլանտացված կրիչների կյանքի ժամկետի ավելացում:
Նախքան էլեկտրալյումինեսցենտային փորձարկումն իրականացնելը, սարքը բնութագրվում էր անկյունային լուծվող սպիտակ լույսի անդրադարձման միջոցով՝ հաստատելու ուժեղ էքսիտոնի միացման առկայությունը:
Պատկեր թիվ 2
Պատկերի վրա 2a Ցուցադրվում են սարքի ակտիվ շրջանից անկյունով լուծված անդրադարձման սպեկտրները՝ ցուցադրելով հակահատման վարքագիծ: Ֆոտոլյումինեսցենտությունը (PL) նկատվել է նաև ոչ ռեզոնանսային գրգռման ներքո (460 նմ), որը ցույց է տալիս ինտենսիվ արտանետում ստորին պոլարիտոն ճյուղից և ավելի թույլ արտանետում վերին պոլարիտոն ճյուղից (2b).
On 2-ական թթ Պոլարիտոնային էլեկտրալյումինեսցենցիայի դիսպերսիան ցուցադրվում է 0.1 μA/μm2 իմպլանտացիայով: Ռաբիի պառակտումը և ռեզոնատորի անջատումը, որոնք ստացվել են տատանումների ռեժիմները (պինդ և գծված սպիտակ գծեր) էլեկտրալյումինեսցենցիայի փորձին համապատասխանեցնելով, համապատասխանաբար կազմում են ～33 meV և ～-13 meV: Ռեզոնատորի անջատումը սահմանվում է որպես δ = Ec − Ex, որտեղ Ex-ը էքսիտոնի էներգիան է, իսկ Ec-ը ցույց է տալիս հարթության մեջ զրոյական իմպուլս ունեցող ռեզոնատորի ֆոտոնի էներգիան: Ժամանակացույց 2d Սա էլեկտրալյումինեսցենտ դիսպերսիայից տարբեր անկյուններով կտրվածք է: Այստեղ հստակ երևում է վերին և ստորին բևեռային ռեժիմների ցրվածությունը էքսիտոնային ռեզոնանսային գոտում տեղի ունեցող հակախաչման հետ:
Պատկեր թիվ 3
Քանի որ թունելային հոսանքը մեծանում է, EL ընդհանուր ինտենսիվությունը մեծանում է: Պոլարիտոններից թույլ ԷԼ-ը նկատվում է շեմի տեղաշարժի մոտ (3a), մինչդեռ շեմից բարձր բավական մեծ տեղաշարժի դեպքում բևեռային արտանետումը դառնում է հստակ (3b).
Պատկերի վրա 3-ական թթ Ցուցադրված է EL ինտենսիվության բևեռային գծապատկեր՝ որպես անկյան ֆունկցիա, որը պատկերում է ±15° արտանետման նեղ կոն: Ճառագայթման օրինաչափությունը գործնականում մնում է անփոփոխ ինչպես նվազագույն (կանաչ կորի), այնպես էլ առավելագույն (նարնջագույն կորի) գրգռման հոսանքների համար: Միացված է 3d Ինտեգրված ինտենսիվությունը ցուցադրվում է տարբեր շարժվող թունելի հոսանքների համար, որը, ինչպես երևում է գրաֆիկից, բավականին գծային է։ Հետևաբար, հոսանքը դեպի բարձր արժեքներ բարձրացնելը կարող է հանգեցնել բևեռիտոնների հաջող ցրմանը ստորին ճյուղի երկայնքով և ստեղծել ծայրահեղ նեղ ճառագայթման օրինաչափություն՝ պոլարիտոնների առաջացման պատճառով: Այնուամենայնիվ, այս փորձի ժամանակ հնարավոր չեղավ հասնել դրան՝ կապված hBN թունելի պատնեշի դիէլեկտրական խզման հետ կապված սահմանափակման հետ:
Կարմիր կետերը 3d ցույց տալ մեկ այլ ցուցիչի չափումներ՝ արտաքին քվանտային արդյունավետություն*.
Քվանտային արդյունավետություն* — ֆոտոնների քանակի հարաբերակցությունը, որոնց կլանումը առաջացրել է քվազիմասնիկներ, կլանված ֆոտոնների ընդհանուր թվին։
Դիտարկված քվանտային արդյունավետությունը համեմատելի է այլ պոլարիտոնային LED-ների հետ (օրգանական նյութերի, ածխածնային խողովակների և այլնի հիման վրա): Հարկ է նշել, որ ուսումնասիրվող սարքում լուսարձակող շերտի հաստությունը կազմում է ընդամենը 0.7 նմ, մինչդեռ մյուս սարքերում այդ արժեքը շատ ավելի բարձր է։ Գիտնականները չեն թաքցնում, որ իրենց սարքի քվանտային արդյունավետությունը ամենաբարձրը չէ, սակայն այն կարելի է բարձրացնել՝ թունելի գոտու ներսում ավելի մեծ թվով միաշերտեր տեղադրելով՝ hBN-ի բարակ շերտերով առանձնացված։
Հետազոտողները փորձարկել են նաև ռեզոնատորի անջատման ազդեցությունը EL polariton-ի վրա՝ պատրաստելով մեկ այլ սարք, բայց ավելի ուժեղ դետոնացիայով (-43 մէՎ):
Պատկեր թիվ 4
Պատկերի վրա 4a Ցուցադրված են նման սարքի անկյունային լուծված EL սպեկտրները 0.2 μA/μm2 հոսանքի խտությամբ: Ուժեղ ապամոնտաժման շնորհիվ սարքը ցուցադրում է ընդգծված խցանման էֆեկտ EL-ում, որի առավելագույն արտանետումը տեղի է ունենում մեծ անկյան տակ: Սա ավելի է հաստատվում պատկերով. 4b, որտեղ այս սարքի բևեռային գրաֆիկները համեմատվում են առաջինի հետ (2-ական թթ).
Ուսումնասիրության նրբություններին ավելի մանրամասն ծանոթանալու համար խորհուրդ եմ տալիս նայել .
Վերջաբան
Այսպիսով, վերը նշված բոլոր դիտարկումներն ու չափումները հաստատում են օպտիկական միկրոռեզոնատորի մեջ ներկառուցված vdW հետերոկառուցվածքում պոլարիտոնային էլեկտրալյումինեսցենցիայի առկայությունը: Ուսումնասիրված սարքի թունելային ճարտարապետությունը ապահովում է էլեկտրոնների/անցքերի իմպլանտացիա և վերահամակցում WS2 միաշերտում, որը ծառայում է որպես լույս արտանետող: Կարևոր է, որ սարքի թունելային մեխանիզմը չի պահանջում բաղադրիչների դոպինգ, ինչը նվազագույնի է հասցնում կորուստները և ջերմաստիճանի հետ կապված տարբեր փոփոխություններ:
Պարզվել է, որ EL-ն ունի բարձր ուղղորդում ռեզոնատորի ցրվածության պատճառով։ Հետևաբար, ռեզոնատորի որակի գործոնի բարելավումը և հոսանքի ավելի բարձր մատակարարումը թույլ կտա բարձրացնել միկրոռեզոնատորային LED-ների, ինչպես նաև էլեկտրական կառավարվող միկրոռեզոնատորային բևեռիտոնների և ֆոտոնային լազերների արդյունավետությունը:
Այս աշխատանքը ևս մեկ անգամ հաստատեց, որ անցումային մետաղների դիքալկոգենիդներն ունեն իսկապես յուրահատուկ հատկություններ և կիրառությունների շատ լայն շրջանակ:
Նման հետազոտական և նորարարական գյուտերը կարող են մեծապես ազդել լուսադիոդային և լույսի վրա հիմնված տվյալների փոխանցման տեխնոլոգիաների զարգացման և տարածման վրա։ Նման ֆուտուրիստական տեխնոլոգիաներից մեկը Li-Fi-ն է, որը կարող է զգալիորեն ավելի բարձր արագություն ապահովել, քան ներկայիս Wi-Fi-ը:
Շնորհակալություն կարդալու համար, մնացեք հետաքրքրասեր և լավ շաբաթ ունեցեք տղաներ: 🙂
Շնորհակալություն մեզ հետ մնալու համար: Ձեզ դուր են գալիս մեր հոդվածները: Ցանկանու՞մ եք տեսնել ավելի հետաքրքիր բովանդակություն: Աջակցեք մեզ՝ պատվիրելով կամ խորհուրդ տալով ընկերներին, 30% զեղչ Habr-ի օգտատերերի համար մուտքի մակարդակի սերվերների եզակի անալոգի վրա, որը ստեղծվել է մեր կողմից ձեզ համար. (հասանելի է RAID1 և RAID10-ով, մինչև 24 միջուկով և մինչև 40 ԳԲ DDR4):
Dell R730xd 2 անգամ ավելի էժան? Միայն այստեղ Նիդեռլանդներում! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-ից: Կարդացեք մասին
Source: www.habr.com
