העתיד של Li-Fi: פולריטונים, אקסיטונים, פוטונים וקצת טונגסטן דיסולפיד

במשך שנים רבות, מדענים מכל העולם עושים שני דברים – ממציאים ומשפרים. ולפעמים לא ברור מה יותר קשה. קחו, למשל, לדים רגילים, שנראים לנו כל כך פשוטים ורגילים שאנחנו אפילו לא שמים לב אליהם. אבל אם תוסיף כמה אקסיטונים, קורט פולריטונים וטונגסטן דיסולפיד לפי הטעם, נוריות הלד כבר לא יהיו כל כך פרוזאיות. כל המונחים המופרכים הללו הם שמות של רכיבים יוצאי דופן ביותר, ששילובם איפשר למדענים מהסיטי קולג' בניו יורק ליצור מערכת חדשה המסוגלת להעביר מידע במהירות רבה באמצעות אור. פיתוח זה יעזור לשפר את טכנולוגיית ה-Li-Fi. באילו מרכיבים מדויקים של הטכנולוגיה החדשה נעשה שימוש, מה המתכון ל"מנה" זו ומהי יעילות התפעול של LED ה-exciton-polariton החדש? דו"ח המדענים יספר לנו על כך. ללכת.

בסיס מחקר

אם נפשט הכל למילה אחת, אז הטכנולוגיה הזו קלה וכל מה שקשור אליה. ראשית, פולריטונים, המתעוררים כאשר פוטונים מקיימים אינטראקציה עם עירורים של המדיום (פונונים, אקציטונים, פלסמונים, מגונים וכו'). שנית, אקסיטונים הם עירורים אלקטרוניים בדיאלקטרי, מוליכים למחצה או מתכת הנודדים לאורך הגביש ואינם קשורים להעברת מטען חשמלי ומסה.

חשוב לציין שהקוואזי-חלקיקים האלה אוהבים קור מאוד, כלומר. ניתן לראות את הפעילות שלהם רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד, מה שמגביל מאוד את היישום המעשי שלהם. אבל זה היה קודם. בעבודה זו הצליחו מדענים להתגבר על מגבלת הטמפרטורה ולהשתמש בהם בטמפרטורת החדר.

המאפיין העיקרי של פולריטונים הוא היכולת לקשור פוטונים זה לזה. פוטונים המתנגשים באטומי רובידיום מקבלים מסה. בתהליך של התנגשויות חוזרות, הפוטונים קופצים זה מזה, אך במקרים נדירים הם יוצרים זוגות ושלישיות, תוך איבוד המרכיב האטומי המיוצג על ידי אטום רובידיום.

אבל כדי לעשות משהו עם אור, אתה צריך לתפוס אותו. לשם כך יש צורך במהוד אופטי, שהוא קבוצה של אלמנטים מחזירי אור היוצרים גל אור עומד.

במחקר זה, את התפקיד החשוב ביותר ממלאים קוואזי-חלקיקים חריגים עוד יותר - אקציטון-קוטביים, שנוצרים עקב צימוד חזק של אקציטונים ופוטונים הכלואים בחלל אופטי.

אולם אין די בכך, כי יש צורך בבסיס חומרי, כביכול. ומי טוב יותר מאשר דיכאלקוגניד מתכת מעבר (TMD) ישחק את התפקיד הזה? ליתר דיוק, שימשה מונו-שכבה WS2 (טונגסטן דיסולפיד) כחומר הפולט, בעל אנרגיות קשירת אקציטון מרשימות, שהפכו לאחד הקריטריונים העיקריים לבחירת בסיס החומר.

השילוב של כל האלמנטים שתוארו לעיל איפשר ליצור LED פולאריטון מבוקר חשמלי הפועל בטמפרטורת החדר.

כדי לממש את ההתקן הזה, מונו-שכבה של WS2 כרוכה בין מחסומי מנהרת בורון ניטריד משושה (hBN) דקים עם שכבות גרפן הפועלות כאלקטרודות.

תוצאות המחקר

WS2, בהיותו דיכאלקוגניד מתכת מעבר, הוא גם חומר ואן דר וואלס (vdW) דק אטומי. זה מדבר על התכונות החשמליות, האופטיות, המכניות והתרמיות הייחודיות שלו.

בשילוב עם חומרים vdW אחרים, כגון גרפן (כמוליך) ובור ניטריד משושה (hBN, כמבודד), ניתן לממש שורה שלמה של התקני מוליכים למחצה נשלטים חשמלית, הכוללים נוריות LED. שילובים דומים של חומרים ופולריטונים של ואן דר ואלס כבר התממשו בעבר, כפי שהחוקרים מצהירים בגלוי. עם זאת, בעבודות קודמות, המערכות שהתקבלו היו מורכבות ולא מושלמות, ולא חשפו את מלוא הפוטנציאל של כל רכיב.

אחד הרעיונות שנוצרו בהשראת קודמיו היה השימוש בפלטפורמת חומר דו מימדית. במקרה זה, ניתן לממש התקנים בעלי שכבות פליטות דקות מבחינה אטומית, היכולים להשתלב עם חומרי vdW אחרים הפועלים כמגעים (גרפן) ומחסומי מנהרה (hBN). בנוסף, דו מימד כזה מאפשר לשלב נוריות פולאריטון עם חומרים vdW בעלי תכונות מגנטיות יוצאות דופן, מוליכות על חזקה ו/או העברות טופולוגיות לא סטנדרטיות. כתוצאה משילוב כזה, ניתן להשיג סוג חדש לחלוטין של מכשיר, שתכונותיו יכולות להיות די יוצאות דופן. אבל, כפי שאומרים מדענים, זה נושא למחקר אחר.

תמונה מס' 1

על התמונה 1а מציג דגם תלת מימדי של מכשיר הדומה לעוגת שכבות. המראה העליונה של המהוד האופטי היא שכבת כסף, והמראה התחתונה היא 12 שכבות מפוזרת משקף בראג*. האזור הפעיל מכיל אזור מנהרה.

משקף בראג מבוזר* - מבנה של מספר שכבות בהן מקדם השבירה של החומר משתנה מעת לעת בניצב לשכבות.

אזור המנהרה מורכב ממבנה הטרו-מבנה vdW המורכב מחונו-שכבה WS2 (פולט אור), שכבות דקות של hBN משני צידי המונו-שכבה (מחסום מנהרה) וגרפן (אלקטרודות שקופות להחדרת אלקטרונים וחורים).

נוספו שתי שכבות נוספות של WS2 כדי להגביר את החוזק הכולל של המתנד ומכאן לייצר פיצול Rabi בולט יותר של מצבי הפולאריטון.

אופן הפעולה של המהוד מותאם על ידי שינוי עובי שכבת ה-PMMA (פולימתיל מתאקרילט, כלומר פרספקס).

Изображение 1b זוהי תמונת מצב של הטרומבנה vdW על פני השטח של רפלקטור Bragg מבוזר. בשל ההשתקפות הגבוהה של רפלקטור ה-Bragg המבוזר, שהוא השכבה התחתונה, לאזור המנהרה בתמונה יש ניגודיות השתקפות נמוכה מאוד, וכתוצאה מכך נצפה רק בשכבת hBN העבה העליונה.

לוח זמנים 1c מייצג את דיאגרמת אזור vdW של ההטרומבנה בגיאומטריית המנהרה תחת עקירה. אלקטרולומיננסנציה (EL) נצפית מעל מתח הסף כאשר רמת ה-Fermi של הגרפן העליון (התחתון) מוזזת מעל (מתחת) לפס ההולכה (ערכיות) של WS2, מה שמאפשר לאלקטרון (חור) לעבור במנהרה לתוך ההולכה (ערכיות) להקה של WS2. זה יוצר תנאים נוחים להיווצרות אקסיטונים בשכבת WS2 עם ריקומבינציה קרינה (קרינתית) של אלקטרונים-חור.

שלא כמו פולטי אור של צומת pn, הדורשים סימום כדי לפעול, EL ממכשירי המנהרה תלויה אך ורק בזרם המנהרה, תוך הימנעות מהפסדים אופטיים וכל שינוי בהתנגדות הנגרמים משינויי טמפרטורה. יחד עם זאת, ארכיטקטורת המנהרה מאפשרת אזור פליטה גדול בהרבה בהשוואה למכשירי דיכלקוגניד המבוססים על צומת pn.

Изображение 1d מדגים את המאפיינים החשמליים של צפיפות זרם המנהור (J) כפונקציה של מתח הטיה (V) בין אלקטרודות גרפן. עלייה חדה בזרם עבור מתחים חיוביים ושליליים כאחד מצביעה על התרחשות של זרם מנהור דרך המבנה. בעובי האופטימלי של שכבות hBN (~2 ננומטר), נצפים זרם מנהור משמעותי ועלייה באורך החיים של נשאים משובצים לרקומבינציה קרינה.

לפני ביצוע ניסוי האלקטרו-לומינסנציה, המכשיר אופיינו בהחזרת אור לבן עם פתרון זווית כדי לאשר את נוכחותו של צימוד אקציטוני חזק.

תמונה מס' 2

על התמונה 2а מוצגות ספקטרום השתקפות עם פתרון זווית מהאזור הפעיל של המכשיר, המדגימים התנהגות נגד מעברים. Photoluminescence (PL) נצפתה גם תחת עירור לא מהדהד (460 ננומטר), והראתה פליטה אינטנסיבית מענף הקוטב התחתון ופליטת פליטה חלשה יותר מענף הפולאריטון העליון (2b).

על 2c מראה את פיזור האלקטרולומיננסנציה של פולאריטון בקצב הזרקה של 0.1 מיקרומטר/מיקרומטר2. פיצול Rabi וביטול חלל המתקבלים על ידי התאמת מצבי המתנד (קו לבן מוצק ומקווקו) לניסוי EL הם ±33 meV ו- ±13 meV, בהתאמה. ניתוק החלל מוגדר כ-δ = Ec − Ex, כאשר Ex היא אנרגיית האקסיטון ו-EC מציינת את אנרגיית הפוטון של חלל האפס-מומנטום במישור. לוח זמנים 2d זהו חיתוך בזוויות שונות מהפיזור האלקטרו-אורני. כאן, הפיזור של מצבי הפולאריטון העליון והתחתון עם אנטי-הצלבה המתרחשת באזור התהודה האקסיטוני נראה בבירור.

תמונה מס' 3

ככל שזרם המנהור עולה, עוצמת ה-EL הכוללת עולה. EL חלש מפולריטונים נצפה בסמוך להזזת הסף (3а), בעוד בתזוזה גדולה מספיק מעל הסף, פליטת פולאריטון הופכת ברורה (3b).

על התמונה 3c מראה עלילה קוטבית של עוצמת EL כפונקציה של הזווית, המתארת ​​חרוט פליטה צר של ±15°. דפוס הקרינה נשאר כמעט ללא שינוי הן עבור זרם העירור המינימלי (עקומה הירוקה) והן עבור זרם העירור המקסימלי (עקומה כתומה). עַל 3d מראה את העוצמה המשולבת עבור זרמי מנהרה נעים שונים, אשר, כפי שניתן לראות מהגרף, היא ליניארית למדי. לכן, הגדלת הזרם לערכים גבוהים יכולה להוביל לפיזור מוצלח של פולריטונים לאורך הענף התחתון וליצור דפוס פליטה צר במיוחד עקב יצירת פולריטונים. עם זאת, בניסוי זה לא ניתן היה להשיג זאת בשל המגבלה הקשורה להתמוטטות הדיאלקטרית של מחסום מנהרת hBN.

נקודות אדומות על 3d הצג מדידות של מחוון אחר - חיצוני יעילות קוונטית*.

יעילות קוונטית* - היחס בין מספר הפוטונים, שקליטתם גרמה להיווצרות קוואזי-חלקיקים, לבין המספר הכולל של הפוטונים הנקלטים.

היעילות הקוונטית הנצפית דומה לזו שבנוריות LED אחרות של פולאריטון (מבוססות על חומרים אורגניים, צינורות פחמן וכו'). ראוי לציין כי במכשיר הנבדק עובי השכבה פולטת האור הוא רק 0.7 ננומטר, בעוד שבמכשירים אחרים ערך זה גבוה בהרבה. מדענים אינם מסתירים את העובדה שהיעילות הקוונטית של המכשיר שלהם אינה הגבוהה ביותר, אך ניתן להגדיל אותה על ידי הצבת מספר רב יותר של מונו-שכבות בתוך אזור המנהרה, מופרדות על ידי שכבות דקות של hBN.

החוקרים בדקו גם את ההשפעה של ניתוק מהוד על פולאריטון EL על ידי יצירת מכשיר אחר, אך עם ניתוק חזק יותר (-43 meV).

תמונה מס' 4

על התמונה 4а ספקטרום EL עם רזולוציה זוויתית של מכשיר כזה מוצגות בצפיפות זרם של 0.2 מיקרומטר/מיקרומטר2. בשל הניתוק החזק, המכשיר מציג אפקט צוואר בקבוק בולט ב-EL כאשר מרבית הפליטה מתרחשת בזווית גדולה. זה אושר עוד בתמונה 4b, שם משווים הגרפים הקוטביים של מכשיר זה עם הראשון (2c).

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים.

אפילוג

לפיכך, כל התצפיות והמדידות שתוארו לעיל מאשרות את הנוכחות של אלקטרולומינצית פולאריטון במבנה הטרומבנה vdW המובנה בתוך חלל מיקרו אופטי. ארכיטקטורת המנהרה של המכשיר הנבדק מבטיחה הכנסת אלקטרונים/חורים ושילוב מחדש במונו-שכבת WS2, המשמשת כפולט אור. חשוב שמנגנון המנהרה של המכשיר לא ידרוש סגסוגת רכיבים, מה שממזער הפסדים ושינויים שונים הקשורים לטמפרטורה.

נמצא כי ל-EL יש כיווניות גבוהה עקב פיזור המהוד. לכן, שיפור מקדם איכות החלל ואספקת זרם גבוהה יותר ישפרו את היעילות של נוריות מיקרו-חלל, כמו גם קוטביות מיקרו-חלל מבוקרים חשמליים ולייזרים פוטוניים.

עבודה זו אישרה שוב שלדיכלקוגנידים מתכת מעבר יש תכונות ייחודיות באמת ומגוון רחב מאוד של יישומים.

מחקר והמצאות חדשניות כאלה יכולים להשפיע רבות על הפיתוח וההפצה של טכנולוגיות העברת נתונים באמצעות נוריות LED והאור עצמו. טכנולוגיות עתידניות כאלה כוללות Li-Fi, שיכול לספק מהירויות גבוהות משמעותית מה-Wi-Fi הזמין כיום.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com