Երկար տարիներ ամբողջ աշխարհի գիտնականները երկու բան են անում՝ հորինել և կատարելագործել: Եվ երբեմն պարզ չէ, թե 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 անհասկանալի տերմինները չափազանց անսովոր բաղադրիչների անուններ են, որոնց համակցությունը Նյու Յորքի քաղաքային քոլեջի գիտնականներին թույլ տվեց ստեղծել նոր համակարգ, որն ունակ է լույսի միջոցով չափազանց արագ տեղեկատվություն փոխանցել: Այս զարգացումը կօգնի բարելավել Li-Fi տեխնոլոգիան: Նոր տեխնոլոգիայի ո՞ր բաղադրիչներն են օգտագործվել, ո՞րն է այս «ճաշատեսակի» բաղադրատոմսը և ինչպիսի՞ն է նոր էքսիտոն-պոլարիտոն LED-ի գործառնական արդյունավետությունը: Այս մասին մեզ կպատմի գիտնականների զեկույցը։ Գնա։
Հետազոտության հիմքը
Եթե ամեն ինչ պարզեցնենք մինչև մեկ բառ, ապա այս տեխնոլոգիան թեթև է և դրա հետ կապված ամեն ինչ։ Նախ՝ բևեռիտոնները, որոնք առաջանում են, երբ ֆոտոնները փոխազդում են միջավայրի գրգռումների հետ (ֆոնոններ, էքսիտոններ, պլազմոններ, մագնոններ և այլն)։ Երկրորդ, էքսիտոնները էլեկտրոնային գրգռումներ են դիէլեկտրիկի, կիսահաղորդչի կամ մետաղի մեջ, որոնք գաղթում են ամբողջ բյուրեղով և կապված չեն էլեկտրական լիցքի և զանգվածի փոխանցման հետ:
Կարևոր է նշել, որ այս քվազիմասնիկները շատ են սիրում ցուրտը, այսինքն. Նրանց ակտիվությունը կարելի է դիտարկել միայն ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում, ինչը մեծապես սահմանափակում է դրանց գործնական կիրառումը: Բայց դա նախկինում էր: Այս աշխատանքում գիտնականներին հաջողվել է հաղթահարել ջերմաստիճանի սահմանափակումը և օգտագործել դրանք սենյակային ջերմաստիճանում:
Պոլարիտոնների հիմնական առանձնահատկությունը ֆոտոնները միմյանց հետ կապելու ունակությունն է։ Ռուբիդիումի ատոմներին բախվելիս ֆոտոնները զանգված են ստանում։ Կրկնվող բախումների գործընթացում ֆոտոնները ցատկում են միմյանցից, սակայն հազվադեպ դեպքերում նրանք կազմում են զույգեր և եռյակներ՝ միաժամանակ կորցնելով ռուբիդիումի ատոմով ներկայացված ատոմային բաղադրիչը։
Բայց լույսով ինչ-որ բան անելու համար հարկավոր է բռնել այն: Դրա համար անհրաժեշտ է օպտիկական ռեզոնատոր, որը ռեֆլեկտիվ տարրերի մի շարք է, որոնք կազմում են կանգուն լույսի ալիք։
Այս ուսումնասիրության մեջ ամենակարևոր դերը խաղում են նույնիսկ ավելի անսովոր քվազիմասնիկները՝ էքսիտոն-պոլարիտոնները, որոնք ձևավորվում են օպտիկական խոռոչում թակարդված էքցիտոնների և ֆոտոնների ուժեղ զուգակցման շնորհիվ։
Սակայն դա բավարար չէ, քանի որ, այսպես ասած, նյութական հիմք է պետք։ Եվ ո՞վ ավելի լավ, քան անցումային մետաղի դիքալկոգենիդը (TMD) կխաղա այս դերը: Ավելի ճիշտ՝ որպես արտանետող նյութ օգտագործվել է WS2 (վոլֆրամի դիսուլֆիդ) միաշերտը, որն ունի էկցիտոնային կապող տպավորիչ էներգիա, որը դարձել է նյութական բազայի ընտրության հիմնական չափանիշներից մեկը։
Վերը նկարագրված բոլոր տարրերի համադրությունը հնարավորություն տվեց ստեղծել սենյակային ջերմաստիճանում աշխատող էլեկտրական կառավարվող polariton LED:
Այս սարքը գործադրելու համար WS2-ի միաշերտը սենդվիչվում 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 իրականացվել էլեկտրական կառավարվող կիսահաղորդչային սարքերի մի ամբողջ շարք, որոնք ներառում են 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 յուրաքանչյուր բաղադրիչի ողջ ներուժը:
Նախորդների կողմից ոգեշնչված գաղափարներից մեկը երկչափ նյութական հարթակի օգտագործումն էր: Այս դեպքում հնարավոր է ստեղծել ատոմայինորեն բարակ արտանետվող շերտերով սարքեր, որոնք կարող են ինտեգրվել որպես կոնտակտներ (գրաֆեն) և թունելի պատնեշներ (hBN) այլ vdW նյութերի հետ: Բացի այդ, նման երկչափությունը հնարավորություն է տալիս միավորել polariton LED-ները vdW նյութերի հետ, որոնք ունեն անսովոր մագնիսական հատկություններ, ուժեղ գերհաղորդականություն և/կամ ոչ ստանդարտ տոպոլոգիական փոխանցումներ: Նման համադրության արդյունքում կարելի 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 ցույց է տալիս սարքի եռաչափ մոդելը, որը նման է շերտավոր թխվածքի: Օպտիկական ռեզոնատորի վերին հայելին արծաթի շերտ է, իսկ ստորին հայելին 12 շերտով բաշխված է։ Բրեգ ռեֆլեկտոր*. Ակտիվ շրջանը պարունակում է թունելային գոտի։
Բաշխված Bragg ռեֆլեկտոր* - մի քանի շերտերից բաղկացած կառուցվածք, որում նյութի բեկման ինդեքսը պարբերաբար փոխվում է շերտերին ուղղահայաց:
Թունելի գոտին բաղկացած է vdW հետերկառուցվածքից, որը բաղկացած է WS2 միաշերտից (լույս արտանետող), hBN-ի բարակ շերտերից մենաշերտի երկու կողմերում (թունելի պատնեշ) և գրաֆենից (էլեկտրոններ և անցքեր ներմուծելու թափանցիկ էլեկտրոդներ):
Ավելացվեցին WS2-ի ևս երկու շերտ՝ տատանվողի ընդհանուր ուժը բարձրացնելու և, հետևաբար, բևեռային վիճակների ավելի ընդգծված ռաբիս պառակտում ստանալու համար:
Ռեզոնատորի աշխատանքային ռեժիմը կարգավորվում է PMMA շերտի հաստությունը փոխելով (պոլիմեթիլ մետակրիլատ, այսինքն՝ plexiglass):
Изображение 1b Սա բաշխված Bragg ռեֆլեկտորի մակերեսին vdW հետերոկառուցվածքի լուսանկարն է: Բաշխված Bragg ռեֆլեկտորի բարձր արտացոլման շնորհիվ, որը հանդիսանում է ստորին շերտը, պատկերի թունելի գոտին ունի արտացոլման շատ ցածր հակադրություն, ինչի արդյունքում նկատվում է միայն վերին հաստ hBN շերտը:
Գույքացուցակ 1-ական թթ Թունելի երկրաչափության մեջ տեղաշարժի տակ գտնվող հետերկառուցվածքի vdW գոտու դիագրամն է: Էլեկտրոլյումինեսցենտությունը (EL) նկատվում է շեմային լարման վերևում, երբ վերին (ներքևի) գրաֆենի Fermi մակարդակը տեղափոխվում է WS2-ի հաղորդման (վալենտական) գոտու վերևում (ներքև), ինչը թույլ է տալիս էլեկտրոնին (անցք) թունել դեպի հաղորդունակություն (վալենտություն): WS2 խումբը. Սա բարենպաստ պայմաններ է ստեղծում WS2 շերտում էքցիտոնների ձևավորման համար՝ հետագա ճառագայթային (ճառագայթային) էլեկտրոն-անցք վերահամակցմամբ։
Ի տարբերություն pn միացման լույսի արտանետիչների, որոնց գործարկման համար դոպինգ է պահանջվում, թունելի սարքերի EL-ը կախված է բացառապես թունելի հոսանքից՝ խուսափելով 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 թունելային հոսանքի խտության էլեկտրական բնութագրերը (J) որպես կողմնակալ լարման ֆունկցիա (V) գրաֆենի էլեկտրոդների միջև: Հոսանքի կտրուկ աճը ինչպես դրական, այնպես էլ բացասական լարման դեպքում ցույց է տալիս կառուցվածքի միջով թունելային հոսանքի առաջացումը: hBN շերտերի օպտիմալ հաստությամբ (~2 նմ) նկատվում է զգալի թունելային հոսանք և ճառագայթային ռեկոմբինացիայի համար ներկառուցված կրիչների ծառայության ժամկետի ավելացում:
Նախքան էլեկտրալյումինեսցենտային փորձարկումն իրականացնելը, սարքը բնութագրվում էր անկյան տակ լուծվող սպիտակ լույսի անդրադարձմամբ՝ հաստատելու ուժեղ էքսցիտոնիկ 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 ցույց է տալիս պոլարիտոնային էլեկտրալյումինեսցենտության ցրումը 0.1 μA/μm2 ներարկման արագությամբ: Ռաբիի պառակտումը և խոռոչի անջատումը, որոնք ստացվել են EL-ի փորձին տատանվող ռեժիմները (պինդ և գծված սպիտակ գիծ) հարմարեցնելով, համապատասխանաբար կազմում են ～33 meV և ～-13 meV: Խոռոչի անջատումը սահմանվում է որպես δ = Ec − Ex, որտեղ Ex-ը էքսիտոնի էներգիան է, իսկ Ec-ը ցույց է տալիս հարթության մեջ գտնվող զրոյական իմպուլսի խոռոչի ֆոտոնների էներգիան: Ժամանակացույց 2d Սա կտրվածք է էլեկտրալյումինեսցենտային ցրման տարբեր անկյուններում: 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 բավականաչափ մեծ տեղաշարժի դեպքում բևեռային արտանետումը դառնում է հստակ (3b).
Պատկերի վրա 3-ական թթ ցույց է տալիս EL ինտենսիվության բևեռային սխեման՝ 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 հոսանքի համար: Վրա 3d ցույց է տալիս ինտեգրված ինտենսիվությունը 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 արտանետման 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 նաև փորձարկել են ռեզոնատորի անջատման ազդեցությունը polariton EL-ի վրա՝ պատրաստելով մեկ այլ սարք, բայց ավելի ուժեղ դետոնացիայով (-43 մէՎ):
Պատկեր թիվ 4
Պատկերի վրա 4a Նման սարքի անկյունային լուծաչափով EL սպեկտրները ցուցադրվում են 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 լրացուցիչ հաստատված է նկարում 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 նկարագրված բոլոր դիտարկումներն ու չափումները հաստատում են պոլարիտոնային էլեկտրալյումինեսցենցիայի առկայությունը օպտիկական միկրոխոռոչի մեջ ներկառուցված vdW հետերոկառուցվածքում: Ուսումնասիրվող սարքի թունելային ճարտարապետությունը ապահովում է էլեկտրոնների/անցքերի ներմուծում և վերահամակցում WS2 միաշերտում, որը ծառայում է որպես լույսի արտանետիչ: Կարևոր է, որ սարքի թունելային մեխանիզմը չպահանջի բաղադրիչների համաձուլում, ինչը նվազագույնի է հասցնում կորուստները և ջերմաստիճանի հետ կապված տարբեր փոփոխություններ:
Պարզվել է, որ EL-ն ունի բարձր ուղղորդում ռեզոնատորի ցրվածության պատճառով։ Հետևաբար, խոռոչի որակի գործոնի բարելավումը և հոսանքի ավելի բարձր մատակարարումը կբարելավեն միկրոխոռոչի LED-ների, ինչպես նաև էլեկտրականորեն կառավարվող միկրոխոռոչի բևեռայինների և ֆոտոնային լազերների արդյունավետությունը:
Այս աշխատանքը ևս մեկ անգամ հաստատեց, որ անցումային մետաղների դիքալկոգենիդներն ունեն իսկապես յուրահատուկ հատկություններ և կիրառությունների շատ լայն շրջանակ:
Նման հետազոտությունները և նորարարական գյուտերը կարող են մեծապես ազդել տվյալների փոխանցման տեխնոլոգիաների զարգացման և տարածման վրա՝ օգտագործելով LED-ները և լույսը: Նման ֆուտուրիստական տեխնոլոգիաները ներառում են Li-Fi-ը, որը կարող է զգալիորեն ավելի բարձր արագություն ապահովել, քան ներկայումս հասանելի 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