Көптеген жылдар бойы әлемнің түкпір-түкпірінен келген ғалымдар екі нәрсемен айналысады - ойлап табу және жетілдіру. Ал кейде бұлардың қайсысы қиын екені белгісіз. Мысалы, біз үшін қарапайым және қарапайым болып көрінетін қарапайым жарықдиодты шамдарды алайық, біз оларға назар аудармаймыз. Бірақ дәміне қарай кейбір экситондарды, бір шымшым поляритонды және вольфрам дисульфидін қоссаңыз, жарық диодтары енді соншалықты прозалық болмайды. Барлық осы абструктивтік терминдер өте ерекше компоненттердің атаулары болып табылады, олардың тіркесімі Нью-Йорк қалалық колледжінің ғалымдарына жарықтың көмегімен ақпаратты өте жылдам жібере алатын жаңа жүйені жасауға мүмкіндік берді. Бұл даму Li-Fi технологиясын жақсартуға көмектеседі. Жаңа технологияның ингредиенттері қандай болды, бұл «тағамның» рецепті қандай және жаңа экситон-поляритонды жарықдиодтың тиімділігі қандай? Бұл туралы ғалымдардың баяндамасы баяндайды. Бар.
Зерттеу негізі
Егер бәрі бір сөзбен жеңілдетілген болса, онда бұл технология жеңіл және онымен байланысты барлық нәрсе. Біріншіден, фотондар орташа қозулармен (фонондар, экситондар, плазмондар, магнондар және т.б.) әрекеттескенде пайда болатын поляритондар. Екіншіден, қозу диэлектриктегі, жартылай өткізгіштегі немесе металдағы электронды қозу, кристал арқылы қозғалады және электр заряды мен массасының берілуімен байланысты емес.
Бұл квазибөлшектердің суықты жақсы көретінін атап өту маңызды; олардың белсенділігін өте төмен температурада ғана байқауға болады, бұл олардың практикалық қолданылуын айтарлықтай шектейді. Бірақ бұл бұрын болды. Бұл жұмыста ғалымдар температуралық шектеуді жеңіп, оларды бөлме температурасында қолдана алды.
Поляритондардың басты ерекшелігі - фотондарды бір-бірімен байланыстыру қабілеті. Рубидий атомдарымен соқтығысқан фотондар масса алады. Көптеген соқтығыстар процесінде фотондар бір-бірінен секіреді, бірақ сирек жағдайларда олар рубидий атомымен ұсынылған атомдық компонентті жоғалтып, жұптар мен үштіктер құрайды.
Бірақ жарықпен бірдеңе істеу үшін оны ұстау керек. Ол үшін тұрақты жарық толқынын құрайтын шағылыстыратын элементтердің қосындысы болып табылатын оптикалық резонатор қажет.
Бұл зерттеуде оптикалық қуыста ұсталған экситондар мен фотондардың күшті қосылуы нәтижесінде пайда болатын одан да ерекше квазибөлшектер, экситон-поляритондар шешуші рөл атқарады.
Алайда, бұл жеткіліксіз, өйткені материалдық база қажет, былайша айтқанда. Ал өтпелі металл дихалкогениді (TDM) болмаса, бұл рөлді басқаларға қарағанда кім жақсы ойнайды. Дәлірек айтсақ, шығаратын материал ретінде әсерлі қозуды байланыстыру энергиясы бар WS2 моноқабатты (вольфрам дисульфиді) пайдаланылды, бұл материалдық базаны таңдаудың негізгі критерийлерінің біріне айналды.
Жоғарыда сипатталған барлық элементтердің комбинациясы бөлме температурасында жұмыс істейтін электрмен басқарылатын поляритонды жарықдиодты жасауға мүмкіндік берді.
Бұл құрылғыны іске асыру үшін WS2 моноқабатты электрод ретінде әрекет ететін графен қабаттары бар жұқа алтыбұрышты бор нитриді (hBN) туннельдік кедергілер арасында орналасқан.
Зерттеу нәтижелері
WS2 өтпелі металл дихалкогениді бола отырып, сонымен қатар атомдық жұқа ван дер-Ваальс (vdW) материалы болып табылады. Бұл оның бірегей электрлік, оптикалық, механикалық және жылулық қасиеттерін көрсетеді.
Графен (өткізгіш ретінде) және алтыбұрышты бор нитриді (hBN, оқшаулағыш ретінде) сияқты басқа vdW материалдарымен үйлесімде жарықдиодты шамдарды қамтитын электрмен басқарылатын жартылай өткізгіш құрылғылардың тұтас түрін жасауға болады. Ван дер Ваальс материалдары мен поляритондардың ұқсас комбинациясы зерттеушілер ашық айтып өткендей, бұрын да жүзеге асырылған. Алайда, алдыңғы жазбаларда пайда болған жүйелер күрделі және жетілмеген, құрамдас бөліктердің әрқайсысының мүмкіндіктерін толық аша алмаған.
Алдындағылар шабыттандырған идеялардың бірі екі өлшемді материалдық платформаны пайдалану болды. Бұл жағдайда контактілер (графен) және туннельдік кедергілер (hBN) ретінде әрекет ететін басқа vdW материалдарымен біріктірілуі мүмкін атомдық жұқа эмиссиялық қабаттары бар құрылғыларды іске асыруға болады. Бұған қоса, бұл екі өлшемділік поляритонды жарықдиодты ерекше магниттік қасиеттері, күшті асқын өткізгіштігі және/немесе стандартты емес топологиялық тасымалдаулары бар vdW материалдарымен біріктіруге мүмкіндік береді. Осындай комбинацияның нәтижесінде сіз мүлдем жаңа құрылғы түрін ала аласыз, оның қасиеттері өте ерекше болуы мүмкін. Бірақ, ғалымдар айтқандай, бұл басқа зерттеу тақырыбы.
№1 сурет
Сурет бойынша 1а қабат тортына ұқсайтын құрылғының үш өлшемді моделін көрсетеді. Оптикалық резонатордың үстіңгі айнасы күміс қабат, ал төменгісі 12 қабатты бөлінген. Брегг шағылыстырғыш*. Белсенді аймақта туннельдік аймақ бар.
Бөлінген Брегг рефлекторы* - материалдың сыну көрсеткіші қабаттарға перпендикуляр периодты түрде өзгеретін бірнеше қабаттардың құрылымы.
Туннель аймағы WS2 моноқабатынан (жарық эмитент), моноқабаттың екі жағындағы жіңішке hBN қабаттарынан (туннель тосқауылынан) және графеннен (электрондар мен тесіктерді енгізуге арналған мөлдір электродтардан) тұратын vdW гетероструктурасынан тұрады.
Осциллятордың жалпы күшін арттыру үшін тағы екі WS2 қабаты қосылды, демек поляритондық күйлердің Раби бөлінуінің айқынырақ болуы.
Резонатордың жұмыс режимі PMMA қабатының қалыңдығын өзгерту арқылы реттеледі (полиметилметакрилат, яғни плексигласс).
бейне 1b бұл таратылған Bragg рефлекторының бетіндегі vdW гетероструктурасының суреті. Төменгі қабат болып табылатын таратылған Брагг рефлекторының жоғары шағылысу қабілетіне байланысты суреттегі туннель аймағы өте төмен шағылысу контрастына ие, соның нәтижесінде hBN-нің тек жоғарғы қалың қабаты байқалады.
Графика 1c ығысудағы туннель геометриясындағы vdW гетероструктурасының аймақтық диаграммасын көрсетеді. Электролюминесценция (EL) жоғарғы (төменгі) графеннің Ферми деңгейі WS2 өткізгіштік (валенттік) жолағынан жоғары (төмен) ығысқанда, электронның (тесігінің) WS2 өткізгіштігіне (валенттік) туннельден өтуіне мүмкіндік бергенде, шекті кернеуден жоғары байқалады. топ. Бұл WS2 қабатында радиациялық (радиациялық) электрон-тесік рекомбинациясынан кейін экситондардың пайда болуына қолайлы жағдай жасайды.
Жұмыс істеу үшін допингті қажет ететін pn түйіспелеріне негізделген жарық шығарғыштардан айырмашылығы, туннельдік құрылғылардан EL тек туннельдік токқа байланысты, ол оптикалық жоғалтуларды және температураның өзгеруінен туындаған кедергінің кез келген өзгерістерін болдырмайды. Сонымен қатар, туннель архитектурасы pn түйіспелеріне негізделген дихалкогенидті құрылғылармен салыстырғанда әлдеқайда үлкен сәулелену аймағына мүмкіндік береді.
бейне 1d туннельдік ток тығыздығының электрлік сипаттамаларын көрсетеді (J) ығысу кернеуінің функциясы ретінде (V) графен электродтары арасында. Оң және теріс кернеу үшін токтың күрт өсуі құрылым арқылы туннельдік токтың пайда болуын көрсетеді. hBN қабаттарының оңтайлы қалыңдығында (~2 нм) айтарлықтай туннельдік ток және радиациялық рекомбинация үшін имплантацияланған тасымалдаушылардың қызмет ету мерзімінің ұлғаюы байқалады.
Электролюминесценция тәжірибесіне дейін құрылғы күшті экситонды байланыстырудың болуын растау үшін бұрыштық рұқсаты бар ақ жарықтың шағылысуымен сипатталды.
№2 сурет
Сурет бойынша 2а құрылғының белсенді аймағынан бұрышпен шешілген шағылысу спектрлері қиылысуға қарсы әрекетті көрсетеді. Фотолюминесценция (PL) резонанстық емес қозумен де (460 нм) байқалды, ол поляритонның төменгі тармағынан қарқынды эмиссияны және поляритонның жоғарғы тармағынан әлсіз эмиссияны көрсетеді (2b).
туралы 2c поляритонның электролюминесценциясының дисперсиясы 0.1 мкА/мкм2 кірістіру үшін көрсетілген. Электролюминесценция тәжірибесіне осциллятор режимдерін (тұтас және нүктелі ақ сызық) сәйкестендіру арқылы алынған Рабидің бөлінуі және резонатордың реттелуі сәйкесінше ～33 мВ және ～-13 меВ құрайды. Резонаторды реттеу δ = Ec − Ex ретінде анықталады, мұнда Ex - қозу энергиясы және Ec - нөлдік жазықтық импульсі бар резонатор фотонының энергиясы. Кесте 2d бұл электролюминесценттік дисперсиядан әртүрлі бұрыштардағы кесу. Мұнда экситондық резонанс аймағында пайда болатын антикроссингпен жоғарғы және төменгі поляритондық режимдердің дисперсиясын анық көруге болады.
№3 сурет
Туннельдік ток ұлғайған сайын жалпы EL қарқындылығы артады. Поляритондардан әлсіз EL табалдырық ығысуының жанында байқалады (3а), табалдырықтан жеткілікті үлкен ығысу кезінде поляритондық эмиссия айқын болады (3b).
Сурет бойынша 3c ± 15° тар эмиссия конусын бейнелейтін бұрыштың функциясы ретінде EL қарқындылығының полярлық графигін көрсетеді. Сәулелену үлгісі минималды (жасыл қисық) және максималды (қызғылт сары қисық) қозу тогы үшін іс жүзінде өзгеріссіз қалады. Қосулы 3d интегралды қарқындылық әр түрлі қозғалатын туннельдік токтар үшін көрсетілген, олар графиктен көрініп тұрғандай, айтарлықтай сызықты. Сондықтан токты жоғары мәндерге дейін арттыру төменгі тармақ бойынша поляритондардың сәтті шашырауына әкелуі мүмкін және поляритондардың генерациясына байланысты өте тар сәулелену үлгісін құруы мүмкін. Дегенмен, бұл экспериментте hBN туннельдік тосқауылдың диэлектрлік бұзылуымен байланысты шектеуге байланысты бұл мүмкін болмады.
қызыл нүктелер қосулы 3d басқа көрсеткіштің өлшемдерін көрсету – сыртқы кванттық тиімділік*.
Кванттық тиімділік* абсорбциясы квазибөлшектердің пайда болуына себеп болған фотондар санының жұтылған фотондардың жалпы санына қатынасы болып табылады.
Байқалған кванттық тиімділік басқа поляритонды жарықдиодтардағымен (органикалық материалдарға, көміртекті түтіктерге және т.б. негізделген) салыстырмалы. Айта кету керек, зерттелетін құрылғыдағы жарық шығаратын қабаттың қалыңдығы небәрі 0.7 нм болса, басқа құрылғыларда бұл көрсеткіш әлдеқайда жоғары. Ғалымдар олардың құрылғысының кванттық тиімділік индексі ең жоғары емес екенін жасырмайды, бірақ оны туннель аймағының ішіне hBN жұқа қабаттарымен бөлінген моноқабаттардың көбірек санын орналастыру арқылы арттыруға болады.
Сондай-ақ зерттеушілер басқа құрылғыны жасау арқылы, бірақ күштірек детунингпен (-43 меВ) резонатордың поляритонның EL-ге әсерін тексерді.
№4 сурет
Сурет бойынша 4а EL спектрлері 0.2 мкА/мкм2 ток тығыздығында мұндай құрылғының бұрыштық рұқсатымен көрсетілген. Күшті детунингтің арқасында құрылғы үлкен бұрышта болатын шығарындылардың максимумы бар EL-де айқын тығырықтану әсерін көрсетеді. Бұл суретте қосымша расталады. 4b, мұнда осы құрылғының полярлық графиктері біріншісімен салыстырылады (2c).
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын .
Эпилогия
Осылайша, жоғарыда сипатталған барлық бақылаулар мен өлшемдер оптикалық микроқуысқа енгізілген vdW гетероструктурасында поляритондық электролюминесценцияның болуын растайды. Зерттелетін құрылғының туннельдік архитектурасы электрондарды/саңылауларды енгізуді және WS2 моноқабатында рекомбинацияны қамтамасыз етеді, ол жарық шығарғыш ретінде қызмет етеді. Құрылғының туннельдік механизмі компоненттерді легірлеуді қажет етпеуі маңызды, бұл шығындар мен температураға байланысты әртүрлі өзгерістерді азайтады.
Резонатордың дисперсиясына байланысты ЭЛ жоғары бағыттылыққа ие екендігі анықталды. Сондықтан резонатордың сапа факторын жақсарту және жоғары ток беру микроқуысты жарықдиодтардың, сондай-ақ электрмен басқарылатын микроқуысты поляритондардың және фотонды лазерлердің тиімділігін арттырады.
Бұл жұмыс өтпелі металдардың дихалкогенидтерінің шын мәнінде бірегей қасиеттері мен қолдану аясы өте кең екенін тағы бір рет растады.
Мұндай зерттеулер мен инновациялық өнертабыстар светодиодтар мен жарықтың өзі арқылы деректерді беру технологияларын дамытуға және таратуға үлкен әсер етуі мүмкін. Мұндай футуристік технологияларға Li-Fi жатады, ол қазіргі уақытта қол жетімді Wi-Fi-ға қарағанда айтарлықтай жылдамырақ жылдамдықты қамтамасыз ете алады.
Назарларыңызға рахмет, қызықты болыңыз және баршаңызға жақсы апта болсын! 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, Habr пайдаланушылары үшін біз сіз үшін ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогына 30% жеңілдік: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com