Li-Fi-ის მომავალი: პოლარიტონები, ექსციტონები, ფოტონები და ვოლფრამის დისულფიდი

მრავალი წელია, მეცნიერები მთელი მსოფლიოდან აკეთებენ ორ რამეს - გამოგონებას და გაუმჯობესებას. და ზოგჯერ გაუგებარია, რომელი მათგანი უფრო რთულია. ავიღოთ, მაგალითად, ჩვეულებრივი LED-ები, რომლებიც იმდენად მარტივი და ჩვეულებრივი გვეჩვენება, რომ მათ ყურადღებას არ ვაქცევთ. მაგრამ თუ დაამატებთ რამდენიმე ექსციტონს, ცოტა პოლარიტონს და ვოლფრამის დისულფიდს გემოვნებით, LED-ები აღარ იქნება ისეთი პროზაული. ყველა ეს აბსტრაქტული ტერმინი არის უკიდურესად უჩვეულო კომპონენტების სახელები, რომელთა კომბინაციამ ნიუ-იორკის სითი კოლეჯის მეცნიერებს საშუალება მისცა შეექმნათ ახალი სისტემა, რომელსაც შეუძლია ინფორმაციის ძალიან სწრაფად გადაცემა სინათლის გამოყენებით. ეს განვითარება ხელს შეუწყობს Li-Fi ტექნოლოგიის გაუმჯობესებას. კონკრეტულად რა ინგრედიენტები იყო გამოყენებული ახალი ტექნოლოგიის შემადგენლობაში, როგორია ამ „კერძის“ რეცეპტი და როგორია ახალი ექსიტონ-პოლარიტონის LED-ის ეფექტურობა? ამის შესახებ მეცნიერთა მოხსენება მოგვითხრობს. წადი.

კვლევის საფუძველი

თუ ყველაფერი ერთი სიტყვით არის გამარტივებული, მაშინ ეს ტექნოლოგია მსუბუქია და მასთან დაკავშირებული ყველაფერი. პირველი, პოლარიტონები, რომლებიც წარმოიქმნება, როდესაც ფოტონები ურთიერთქმედებენ საშუალო აგზნებასთან (ფონონები, ექსიტონები, პლაზმონები, მაგნონები და ა.შ.). მეორეც, ეგციტონები არის ელექტრონული აგზნება დიელექტრიკში, ნახევარგამტარში ან ლითონში, რომელიც მიგრირდება კრისტალში და არ არის დაკავშირებული ელექტრული მუხტისა და მასის გადაცემასთან.

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ამ კვაზინაწილაკებს ძალიან უყვართ სიცივე; მათი აქტივობა შეიძლება შეინიშნოს მხოლოდ უკიდურესად დაბალ ტემპერატურაზე, რაც მკვეთრად ზღუდავს მათ პრაქტიკულ გამოყენებას. მაგრამ ეს ადრე იყო. ამ სამუშაოში მეცნიერებმა შეძლეს ტემპერატურის შეზღუდვის დაძლევა და მათი გამოყენება ოთახის ტემპერატურაზე.

პოლარიტონების მთავარი მახასიათებელია ფოტონების ერთმანეთთან დაკავშირების უნარი. რუბიდიუმის ატომებთან შეჯახებისას ფოტონები იძენენ მასას. მრავალჯერადი შეჯახების პროცესში, ფოტონები ერთმანეთს ეხებიან, მაგრამ იშვიათ შემთხვევებში ისინი ქმნიან წყვილებსა და სამეულებს, ხოლო კარგავენ ატომურ კომპონენტს, რომელიც წარმოდგენილია რუბიდიუმის ატომით.

ოღონდ სინათლეს რომ რამე გააკეთო, ის უნდა დაიჭირო. ამისთვის საჭიროა ოპტიკური რეზონატორი, რომელიც წარმოადგენს ამრეკლავი ელემენტების ერთობლიობას, რომლებიც ქმნიან მდგარ სინათლის ტალღას.

ამ კვლევაში გადამწყვეტ როლს თამაშობენ კიდევ უფრო უჩვეულო კვაზინაწილაკები, ექსიტონ-პოლარიტონები, რომლებიც წარმოიქმნება ოპტიკურ ღრუში მოხვედრილი ეგციტონებისა და ფოტონების ძლიერი შეერთების გამო.

თუმცა ეს საკმარისი არ არის, რადგან, ასე ვთქვათ, მატერიალური საფუძველია საჭირო. და ვინ, თუ არა გარდამავალი ლითონის დიქალკოგენიდი (TDM), ითამაშებს ამ როლს სხვებზე უკეთ. უფრო ზუსტად რომ ვთქვათ, გამომსხივებელ მასალად გამოიყენებოდა WS2-ის მონოფენა (ვოლფრამის დისულფიდი), რომელსაც აქვს შთამბეჭდავი აგზნების შემაკავშირებელი ენერგია, რაც გახდა მატერიალური ბაზის არჩევის ერთ-ერთი მთავარი კრიტერიუმი.

ზემოთ აღწერილი ყველა ელემენტის კომბინაციამ შესაძლებელი გახადა ელექტრული კონტროლირებადი პოლარიტონის LED-ის შექმნა, რომელიც მუშაობს ოთახის ტემპერატურაზე.

ამ მოწყობილობის განსახორციელებლად, WS2 მონოფენა განლაგებულია თხელი ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდის (hBN) გვირაბების ბარიერებს შორის, გრაფენის ფენებით, რომლებიც მოქმედებს როგორც ელექტროდები.

კვლევის შედეგები

WS2, როგორც გარდამავალი ლითონის დიქალკოგენიდი, ასევე არის ატომურად თხელი ვან დერ ვაალის (vdW) მასალა. ეს მიუთითებს მის უნიკალურ ელექტრულ, ოპტიკურ, მექანიკურ და თერმულ თვისებებზე.

სხვა vdW მასალებთან ერთად, როგორიცაა გრაფენი (როგორც გამტარი) და ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი (hBN, როგორც იზოლატორი), შეიძლება განხორციელდეს ელექტრული კონტროლირებადი ნახევარგამტარული მოწყობილობების მთელი რიგი, რომელიც მოიცავს LED-ებს. ვან დერ ვაალის მასალებისა და პოლარიტონების მსგავსი კომბინაციები უკვე განხორციელებული იყო ადრე, როგორც მკვლევარები გულწრფელად აცხადებენ. თუმცა, წინა წერილებში, შედეგად მიღებული სისტემები რთული და არასრულყოფილი იყო და არ ავლენდა თითოეული კომპონენტის სრულ პოტენციალს.

წინამორბედების მიერ შთაგონებული ერთ-ერთი იდეა იყო ორგანზომილებიანი მასალის პლატფორმის გამოყენება. ამ შემთხვევაში, შესაძლებელია მოწყობილობების დანერგვა ატომურად თხელი ემისიის ფენებით, რომლებიც შეიძლება ინტეგრირებული იყოს სხვა vdW მასალებთან, რომლებიც მოქმედებენ როგორც კონტაქტები (გრაფინი) და გვირაბის ბარიერები (hBN). გარდა ამისა, ეს ორგანზომილებიანობა შესაძლებელს ხდის პოლარიტონული LED-ების გაერთიანებას vdW მასალებთან უჩვეულო მაგნიტური თვისებებით, ძლიერი ზეგამტარობით და/ან არასტანდარტული ტოპოლოგიური გადაცემით. ასეთი კომბინაციის შედეგად, შეგიძლიათ მიიღოთ სრულიად ახალი ტიპის მოწყობილობა, რომლის თვისებები შეიძლება იყოს ძალიან უჩვეულო. მაგრამ, როგორც მეცნიერები ამბობენ, ეს სხვა კვლევის თემაა.

სურათი #1

სურათზე 1а გვიჩვენებს მოწყობილობის სამგანზომილებიან მოდელს, რომელიც წააგავს ფენის ნამცხვარს. ოპტიკური რეზონატორის ზედა სარკე ვერცხლის ფენაა, ქვედა კი 12-ფენიანია. ბრაგის რეფლექტორი*. აქტიურ რეგიონში არის გვირაბის ზონა.

განაწილებული Bragg Reflector* - რამდენიმე შრის სტრუქტურა, რომელშიც მასალის რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება ფენების პერპენდიკულარულად.

გვირაბის ზონა შედგება vdW ჰეტეროსტრუქტურისგან, რომელიც შედგება WS2 მონოფენისგან (სინათლის გამოსხივება), თხელი hBN ფენებისგან მონოფენის ორივე მხარეს (გვირაბის ბარიერი) და გრაფენისგან (გამჭვირვალე ელექტროდები ელექტრონებისა და ხვრელების შესაყვანად).

კიდევ ორი ​​WS2 ფენა დაემატა ოსცილატორის საერთო სიძლიერის გასაზრდელად და, შესაბამისად, პოლარიტონის მდგომარეობების უფრო გამოხატული რაბის გაყოფა.

რეზონატორის მუშაობის რეჟიმი რეგულირებულია PMMA ფენის სისქის შეცვლით (პოლიმეთილ მეთაკრილატი, ე.ი. პლექსიგლასი).

Изображение 1b ეს არის vdW ჰეტეროსტრუქტურის სურათი განაწილებული ბრაგის რეფლექტორის ზედაპირზე. განაწილებული ბრაგის რეფლექტორის მაღალი არეკვლის გამო, რომელიც წარმოადგენს ქვედა ფენას, გამოსახულებაში გვირაბის ზონას აქვს ძალიან დაბალი არეკვლის კონტრასტი, რის შედეგადაც შეიმჩნევა მხოლოდ hBN-ის ზედა სქელი ფენა.

განრიგი 1 ს წარმოადგენს vdW ჰეტეროსტრუქტურის ზონის დიაგრამას გვირაბის გეომეტრიაში გადაადგილების ქვეშ. ელექტროლუმინესცენცია (EL) შეინიშნება ბარიერის ძაბვის ზემოთ, როდესაც ზედა (ქვედა) გრაფენის ფერმის დონე გადადის WS2 გამტარობის (ვალენტური) ზოლის ზემოთ (ქვემოთ), რაც საშუალებას აძლევს ელექტრონს (ხვრელს) გვირაბი შევიდეს WS2 გამტარობაში (ვალენტობა). ბენდი. ეს ქმნის ხელსაყრელ პირობებს WS2 ფენაში ექსციტონების წარმოქმნისთვის, რასაც მოჰყვება რადიაციული (რადიაციული) ელექტრონ-ხვრელების რეკომბინაცია.

განსხვავებით pn შეერთებებზე დაფუძნებული სინათლის ემიტერებისგან, რომლებიც საჭიროებენ დოპინგის მუშაობას, გვირაბის მოწყობილობებიდან EL დამოკიდებულია მხოლოდ გვირაბის დენზე, რომელიც თავიდან აიცილებს ოპტიკურ დანაკარგებს და წინააღმდეგობის ნებისმიერ ცვლილებას, რომელიც გამოწვეულია ტემპერატურის ცვლილებებით. ამავდროულად, გვირაბის არქიტექტურა იძლევა ბევრად უფრო დიდ რადიაციის არეალს pn შეერთებებზე დაფუძნებულ დიქალკოგენიდურ მოწყობილობებთან შედარებით.

Изображение 1d აჩვენებს გვირაბის დენის სიმკვრივის ელექტრულ მახასიათებლებს (J) მიკერძოებული ძაბვის ფუნქციით (V) გრაფენის ელექტროდებს შორის. დენის მკვეთრი მატება როგორც დადებითი, ასევე უარყოფითი ძაბვისთვის მიუთითებს გვირაბის დენის გაჩენაზე სტრუქტურაში. hBN ფენების ოპტიმალურ სისქეზე (~ 2 ნმ) შეინიშნება მნიშვნელოვანი გვირაბის დენი და რადიაციული რეკომბინაციისთვის იმპლანტირებული მატარებლების სიცოცხლის ხანგრძლივობის ზრდა.

ელექტროლუმინესცენციის ექსპერიმენტამდე, მოწყობილობას ახასიათებდა თეთრი სინათლის არეკვლა კუთხური გარჩევადობით, რათა დაადასტუროს ძლიერი ექსციტონის შებოჭვის არსებობა.

სურათი #2

სურათზე 2а ნაჩვენებია კუთხით გადაწყვეტილი არეკვლის სპექტრები მოწყობილობის აქტიური რეგიონიდან, რომლებიც აჩვენებს გადაკვეთის საწინააღმდეგო ქცევას. ფოტოლუმინესცენცია (PL) ასევე დაფიქსირდა არარეზონანსული აგზნებით (460 ნმ), რომელიც აჩვენებს ინტენსიურ ემისიას პოლარიტონის ქვედა ტოტიდან და უფრო სუსტ ემისიას პოლარიტონის ზედა ტოტიდან.2b).

წლის 2 ს პოლარიტონის ელექტროლუმინესცენციის დისპერსია ნაჩვენებია 0.1 μA/μm2 ჩასართავად. რაბის გაყოფა და რეზონატორის გათიშვა, რომელიც მიღებულია ოსცილატორის რეჟიმების (მყარი და წერტილოვანი თეთრი ხაზი) ​​ელექტროლუმინესცენციის ექსპერიმენტთან დაყენებით არის ～33 meV და ～-13 meV, შესაბამისად. რეზონატორის დეტუნირება განისაზღვრება, როგორც δ = Ec − Ex, სადაც Ex არის ეგციტონის ენერგია და Ec არის რეზონატორის ფოტონის ენერგია ნულოვანი სიბრტყეში იმპულსით. განრიგი 2d ეს არის ჭრილი ელექტროლუმინესცენტური დისპერსიისგან სხვადასხვა კუთხით. აქ ნათლად ჩანს ზედა და ქვედა პოლარიტონის რეჟიმების დისპერსია ანტიკროსინგთან, რომელიც ხდება ექსციტონ-რეზონანსულ ზონაში.

სურათი #3

გვირაბის დენის მატებასთან ერთად, EL მთლიანი ინტენსივობა იზრდება. სუსტი EL პოლარიტონებიდან შეინიშნება ზღურბლის გადაადგილების მახლობლად (3аზღურბლზე მაღლა საკმარისად დიდი ცვლის დროს, პოლარიტონის ემისია მკაფიო ხდება (3b).

სურათზე 3 ს გვიჩვენებს EL ინტენსივობის პოლარულ გრაფიკს კუთხის ფუნქციის მიხედვით, რომელიც ასახავს ვიწრო ემისიის კონუსს ± 15°. რადიაციული ნიმუში პრაქტიკულად უცვლელი რჩება როგორც მინიმალური (მწვანე მრუდი) ასევე მაქსიმალური (ნარინჯისფერი მრუდი) აგზნების დენისთვის. ჩართულია 3d ინტეგრირებული ინტენსივობა ნაჩვენებია სხვადასხვა მოძრავი გვირაბის დინებისთვის, რომელიც, როგორც გრაფიკიდან ჩანს, საკმაოდ წრფივია. ამრიგად, დენის მაღალ მნიშვნელობებამდე გაზრდამ შეიძლება გამოიწვიოს პოლარიტონების წარმატებული გაფანტვა ქვედა ტოტის გასწვრივ და შექმნას უკიდურესად ვიწრო გამოსხივების ნიმუში პოლარიტონების წარმოქმნის გამო. თუმცა, ამ ექსპერიმენტში ეს შეუძლებელი იყო hBN გვირაბის ბარიერის დიელექტრიკულ რღვევასთან დაკავშირებული შეზღუდვის გამო.

წითელ წერტილებზე 3d სხვა ინდიკატორის გაზომვების ჩვენება - გარე კვანტური ეფექტურობა*.

კვანტური ეფექტურობა* არის ფოტონების რაოდენობის თანაფარდობა, რომელთა შთანთქმამ გამოიწვია კვაზინაწილაკების წარმოქმნა შთანთქმის ფოტონების საერთო რაოდენობასთან.

დაკვირვებული კვანტური ეფექტურობა შედარებულია სხვა პოლარიტონულ LED-ებში (ორგანული მასალების, ნახშირბადის მილების და ა.შ. საფუძველზე). აღსანიშნავია, რომ შესწავლილ მოწყობილობაში სინათლის გამოსხივების ფენის სისქე მხოლოდ 0.7 ნმ-ია, ხოლო სხვა მოწყობილობებში ეს მნიშვნელობა გაცილებით მაღალია. მეცნიერები არ მალავენ იმ ფაქტს, რომ მათი მოწყობილობის კვანტური ეფექტურობის ინდექსი არ არის ყველაზე მაღალი, მაგრამ მისი გაზრდა შესაძლებელია გვირაბის ზონაში უფრო დიდი რაოდენობის მონოფენების განთავსებით, რომლებიც გამოყოფილია hBN-ის თხელი ფენებით.

მკვლევარებმა ასევე გამოსცადეს რეზონატორის დეტუნირების გავლენა პოლარიტონ EL-ზე სხვა მოწყობილობის შექმნით, მაგრამ უფრო ძლიერი დეტუნირებით (-43 მევ).

სურათი #4

სურათზე 4а EL სპექტრები ნაჩვენებია ასეთი მოწყობილობის კუთხური გარჩევადობით დენის სიმკვრივით 0.2 μA/μm2. ძლიერი დეტუნირების გამო, მოწყობილობას აქვს გამოხატული ბოთლის ეფექტი EL-ში, ემისიის მაქსიმუმი დიდი კუთხით. ეს კიდევ უფრო დასტურდება სურათზე. 4b, სადაც ამ მოწყობილობის პოლარული ნაკვეთები შედარებულია პირველთან (2 ს).

კვლევის ნიუანსების უფრო დეტალური გაცნობისთვის გირჩევთ ნახოთ მეცნიერები იუწყებიან.

ეპილოგი

ამრიგად, ზემოთ აღწერილი ყველა დაკვირვება და გაზომვა ადასტურებს პოლარიტონის ელექტროლუმინესცენციის არსებობას vdW ჰეტეროსტრუქტურაში, რომელიც ჩაშენებულია ოპტიკურ მიკროქვაში. შესასწავლი მოწყობილობის გვირაბის არქიტექტურა უზრუნველყოფს ელექტრონების/ხვრელების შეყვანას და რეკომბინაციას WS2 მონოშრეში, რომელიც ემსახურება სინათლის გამოსხივებას. მნიშვნელოვანია, რომ მოწყობილობის გვირაბის მექანიზმი არ საჭიროებს კომპონენტების შენადნობას, რაც ამცირებს დანაკარგებს და ტემპერატურის სხვადასხვა ცვლილებას.

აღმოჩნდა, რომ EL-ს აქვს მაღალი მიმართულება რეზონატორის დისპერსიის გამო. ამრიგად, რეზონატორის ხარისხის ფაქტორის გაუმჯობესება და უფრო მაღალი დენის მიწოდება გააუმჯობესებს მიკროკავიტის LED-ების ეფექტურობას, ასევე ელექტრული კონტროლირებადი მიკროკავის პოლარიტონებისა და ფოტონების ლაზერების ეფექტურობას.

ამ ნაშრომმა კიდევ ერთხელ დაადასტურა, რომ გარდამავალი ლითონის დიქალკოგენიდებს აქვთ მართლაც უნიკალური თვისებები და გამოყენების ძალიან ფართო სპექტრი.

ასეთმა კვლევებმა და ინოვაციურმა გამოგონებებმა შეიძლება დიდი გავლენა მოახდინოს მონაცემთა გადაცემის ტექნოლოგიების განვითარებასა და გავრცელებაზე LED-ების და თავად განათების საშუალებით. ასეთი ფუტურისტული ტექნოლოგიები მოიცავს Li-Fi-ს, რომელსაც შეუძლია უზრუნველყოს ბევრად უფრო სწრაფი სიჩქარე, ვიდრე ამჟამად ხელმისაწვდომი Wi-Fi.

გმადლობთ ყურადღებისთვის, იყავით ცნობისმოყვარეები და წარმატებულ კვირას გისურვებთ ყველას! 🙂

გმადლობთ, რომ დარჩით ჩვენთან. მოგწონთ ჩვენი სტატიები? გსურთ ნახოთ უფრო საინტერესო შინაარსი? მხარი დაგვიჭირეთ შეკვეთის განთავსებით ან მეგობრებისთვის რეკომენდაციით, 30% ფასდაკლება Habr-ის მომხმარებლებისთვის საწყისი დონის სერვერების უნიკალურ ანალოგზე, რომელიც ჩვენ მიერ გამოგონილია თქვენთვის: მთელი სიმართლე VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20$-დან ან როგორ გავაზიარო სერვერი? (ხელმისაწვდომია RAID1 და RAID10-ით, 24 ბირთვამდე და 40 გბ-მდე DDR4).

Dell R730xd 2-ჯერ იაფია? Მხოლოდ აქ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ტელევიზორი $199-დან ნიდერლანდებში! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-დან! Წაიკითხო რაღაცის შესახებ როგორ ავაშენოთ ინფრასტრუქტურის კორპუსი. კლასი Dell R730xd E5-2650 v4 სერვერების გამოყენებით 9000 ევროს ღირებულების პენი?

წყარო: www.habr.com