Көп жылдар бою дүйнөнүн бардык бурчунан келген окумуштуулар эки нерсе менен алектенишет – ойлоп табуу жана өркүндөтүү. Кээде кайсынысы кыйын экени түшүнүксүз. Мисалы, жөнөкөй LEDди алалы, алар бизге ушунчалык жөнөкөй жана кадимкидей көрүнгөндүктөн, биз аларга көңүл бурбайбыз. Бирок, бир нече экситондорду, бир чымчым поляритондорду жана вольфрам дисульфидди даамга кошсоңуз, диоддор мынчалык прозалык болбой калат. Бул абструкциялардын бардыгы өтө адаттан тыш компоненттердин аталыштары, алардын айкалышы Нью-Йорктун Сити колледжинин окумуштууларына жарыкты колдонуу менен маалыматты өтө тез өткөрө алган жаңы системаны түзүүгө мүмкүндүк берди. Бул өнүгүү Li-Fi технологиясын жакшыртууга жардам берет. Жаңы технологиянын так кандай ингредиенттери колдонулган, бул “табактын” рецепти кандай жана жаңы экситон-поляритондук светодиоддун иштөө эффективдүүлүгү кандай? Бул женунде окумуштуулардын доклады баяндайт. Go.
Изилдөөнүн негизи
Эгерде биз бардыгын бир сөзгө чейин жөнөкөйлөштүрсөк, анда бул технология жеңил жана аны менен байланышкан бардык нерсе. Биринчиден, фотондор чөйрөнүн дүүлүгүүлөрү (фонондор, экситондор, плазмондор, магнондор ж. б.) менен өз ара аракеттенгенде пайда болгон поляритондор. Экинчиден, экситондор диэлектриктеги, жарым өткөргүчтөгү же металлдагы электрондук дүүлүктүрүү болуп саналат, алар кристалл боюнча миграциялайт жана электрдик заряддын жана массанын өтүшү менен байланышпайт.
Белгилей кетчү нерсе, бул квазибөлүкчөлөр суукту абдан жакшы көрүшөт, б.а. Алардын активдүүлүгүн өтө төмөн температурада гана байкоого болот, бул алардын практикалык колдонулушун абдан чектейт. Бирок бул мурун болгон. Бул иште окумуштуулар температуралык чектөөнү жеңип, аларды бөлмө температурасында колдоно алышты.
Поляритондордун негизги өзгөчөлүгү - фотондорду бири-бири менен байланыштыруу жөндөмдүүлүгү. Рубидий атомдору менен кагылышкан фотондор массага ээ болушат. Кайталанма кагылышуу процессинде фотондор бири-биринен секирип чыгышат, бирок сейрек учурларда алар жуптарды жана үчилтиктерди түзүшөт, ошол эле учурда рубидий атому менен көрсөтүлгөн атомдук компонентти жоготот.
Бирок жарык менен бир нерсе кылуу үчүн, аны кармаш керек. Бул үчүн оптикалык резонатор керек, ал туруктуу жарык толкунун түзүүчү чагылдыруучу элементтердин жыйындысы.
Бул изилдөөдө эң маанилүү ролду ого бетер адаттан тыш квазибөлүкчөлөр ойнойт - оптикалык көңдөйдө камалып калган экситондор менен фотондордун күчтүү биригүүсүнөн пайда болгон экситон-поляритондор.
Бирок бул аздык кылат, анткени мындайча айтканда материалдык база керек. Бул ролду өткөөл металл дихалкогенидинен (TMD) артык ким аткарат? Тагыраак айтканда, чыгаруучу материал катары WS2 (вольфрам дисульфид) монокатмары колдонулган, ал таасирдүү экситондук байланыштыруучу энергияга ээ, бул материалдык базаны тандоонун негизги критерийлеринин бири болуп калды.
Жогоруда сүрөттөлгөн бардык элементтердин айкалышы бөлмө температурасында иштеген электрдик башкарылуучу поляритондук светодиодду түзүүгө мүмкүндүк берди.
Бул аппаратты ишке ашыруу үчүн, WS2 бир катмары электрод катары иштеген графен катмарлары менен ичке алты бурчтуу бор нитридинин (hBN) туннелинин тосмолорунун ортосуна орнотулган.
Изилдөөнүн натыйжалары
WS2, өткөөл металл дихалкогенид болуп, ошондой эле атомдук жука Ван дер Ваальс (vdW) материалы болуп саналат. Бул анын уникалдуу электрдик, оптикалык, механикалык жана жылуулук касиеттеринен кабар берет.
Графен (өткөргүч катары) жана алты бурчтуу бор нитриди (hBN, изолятор катары) сыяктуу башка vdW материалдары менен айкалышта электрдик башкарылуучу жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн бүтүндөй бир тобун, анын ичинде светодиоддорду ишке ашырууга болот. Ван дер Ваальс материалдарынын жана поляритондорунун окшош комбинациялары буга чейин эле ишке ашырылган, муну изилдөөчүлөр ачык айтышкан. Бирок мурунку эмгектерде пайда болгон системалар татаал жана жеткилең эмес болуп, ар бир компоненттин потенциалын толук ачып берген эмес.
Мурункулар шыктандырган идеялардын бири эки өлчөмдүү материалдык платформаны колдонуу болгон. Бул учурда, атомдук жука эмиссивдүү катмарлары бар түзүлүштөрдү ишке ашырууга болот, алар контакттар (графен) жана туннель тосмолору (hBN) ролун аткарган башка vdW материалдары менен интеграцияланышы мүмкүн. Мындан тышкары, мындай эки өлчөмдүүлүк поляритондук светодиоддорду адаттан тыш магниттик касиеттерге, күчтүү супер өткөргүчтөргө жана/же стандарттуу эмес топологиялык өткөрүүлөргө ээ болгон vdW материалдары менен айкалыштырууга мүмкүндүк берет. Мындай айкалыштыруу натыйжасында аппараттын таптакыр жаңы түрүн алууга болот, анын касиеттери абдан адаттан тыш болушу мүмкүн. Бирок, окумуштуулар айткандай, бул башка изилдөөнүн темасы.
Сүрөт №1
Сүрөттө 1a катмар торт окшош түзүлүштүн үч өлчөмдүү моделин көрсөтөт. Оптикалык резонатордун үстүнкү күзгүсү күмүш катмары, ал эми төмөнкү күзгүсү 12 катмарлуу бөлүштүрүлгөн. Bragg рефлектор*. активдүү аймак туннель зонасын камтыйт.
Бөлүштүрүлгөн Bragg чагылдыргыч* - материалдын сынуу көрсөткүчү катмарларга перпендикуляр мезгил-мезгили менен өзгөрүп турган бир нече катмардан турган түзүлүш.
Туннел зонасы WS2 монокатмарынан (жарык эмитент), моно катмардын эки тарабындагы жука hBN катмарларынан (туннель тосмосунан) жана графенден (электрондорду жана тешиктерди киргизүү үчүн тунук электроддордон) турган vdW гетероструктурасынан турат.
Осциллятордун жалпы күчүн жогорулатуу жана демек, поляритондук абалдардын айкыныраак Раби бөлүнүшүн пайда кылуу үчүн дагы эки WS2 катмары кошулду.
Резонатордун иштөө режими PMMA катмарынын калыңдыгын өзгөртүү жолу менен жөнгө салынат (полиметилметакрилат, б.а. плексигласс).
сүрөт 1b Бул бөлүштүрүлгөн Bragg рефлекторунун бетиндеги vdW гетероструктурасынын сүрөтү. Төмөнкү катмар болуп саналган бөлүштүрүлгөн Брегг рефлекторунун жогорку чагылдыруу жөндөмдүүлүгүнөн улам, сүрөттөгү туннель зонасы өтө төмөн чагылдыруучу контрастка ээ, натыйжада үстүнкү калың hBN катмары гана байкалат.
ырааттама 1c жылышуу астында туннель геометриясында гетероструктуранын vdW зона диаграммасын билдирет. Электролюминесценция (EL) жогорку (төмөнкү) графендин Ферми деңгээли WS2 өткөргүчтүк (валенттүүлүк) тилкесинен жогору (төмөн) жылыганда босого чыңалуудан жогору байкалат, бул электрондун (тешиктин) өткөргүчтүккө (валенттик) туннель өтүшүнө мүмкүндүк берет. WS2 тобу. Бул WS2 катмарында кийинки радиациялык (радиациялык) электрон-тешик рекомбинациясы менен экситондордун пайда болушу үчүн жагымдуу шарттарды түзөт.
Иштеши үчүн допингди талап кылган pn түйүнүндөгү жарык чыгаруучулардан айырмаланып, туннелдик түзүлүштөрдөгү EL оптикалык жоготууларды жана температуранын өзгөрүшүнө байланыштуу каршылыктын өзгөрүшүнө жол бербей, туннелдин агымынан гана көз каранды. Ошол эле учурда, туннелдин архитектурасы pn түйүндөрүнө негизделген дихалкогениддик түзүлүштөргө салыштырмалуу бир топ чоңураак эмиссия аймагына мүмкүндүк берет.
сүрөт 1d туннелдик токтун тыгыздыгынын электрдик мүнөздөмөлөрүн көрсөтөт (J) чыңалууга жараша (V) графен электроддорунун ортосунда. Оң жана терс чыңалуулар үчүн токтун кескин өсүшү структура аркылуу туннелдик токтун пайда болушун көрсөтөт. hBN катмарларынын оптималдуу калыңдыгында (~2 нм) олуттуу туннелдик агым жана радиациялык рекомбинация үчүн камтылган ташыгычтардын иштөө мөөнөтүнүн көбөйүшү байкалат.
Электролюминесценция экспериментин жүргүзүүдөн мурун, аппарат күчтүү экситоникалык байланыштын бар экендигин тастыктоо үчүн бурч боюнча чечилген ак жарыкты чагылдыруу менен мүнөздөлгөн.
Сүрөт №2
Сүрөттө 2a Аспаптын активдүү аймагынан бурч менен чечилген чагылтуу спектрлери кайчылашка каршы жүрүм-турумду көрсөтүп турат. Фотолюминесценция (PL) резонанстуу эмес дүүлүккөндө (460 нм) да байкалган, ал төмөнкү поляритон бутагынан интенсивдүү эмиссияны жана жогорку поляритон бутагынан начарыраак эмиссияны көрсөткөн (2b).
боюнча 2c 0.1 мкА/мкм2 сайынуу ылдамдыгы боюнча поляритондук электролюминесценциянын дисперсиясын көрсөтөт. EL экспериментине осциллятордун режимдерин (катуу жана сызыкча ак сызык) тууралоо менен алынган Раби бөлүү жана көңдөй детунинг ～33 мВ жана ～-13 меВ. Көңдөйдүн детунинги δ = Ec − Ex катары аныкталат, мында Ex - экситондун энергиясы жана Ec - тегиздиктеги нөл-импульстук боштуктун фотонунун энергиясын билдирет. График 2d Бул электролюминесценттик дисперсиядан ар кандай бурчтардагы кесүү. Бул жерде экситондук резонанстык зонада пайда болгон антикроссинг менен жогорку жана төмөнкү поляритондук режимдердин дисперсиясы даана көрүнүп турат.
Сүрөт №3
Туннелдик агым көбөйгөн сайын жалпы EL интенсивдүүлүгү жогорулайт. Поляритондордон начар EL босого жылышына жакын байкалат (3a), босогодон жогору жетишерлик чоң жылышууда поляритондук эмиссия айырмаланат (3b).
Сүрөттө 3c бурчтун функциясы катары EL интенсивдүүлүгүнүн полярдык графигин көрсөтөт, ±15° тар эмиссия конусун сүрөттөйт. Минималдуу (жашыл ийри сызык) жана максималдуу (кызгылт сары ийри сызык) дүүлүктүрүүчү ток үчүн нурлануунун үлгүсү дээрлик өзгөрүүсүз калат. Күйүк 3d графиктен көрүнүп тургандай, бир топ сызыктуу болгон ар кандай кыймылдуу туннель агымдары үчүн интегралдык интенсивдүүлүктү көрсөтөт. Демек, токту жогорку маанилерге чейин жогорулатуу төмөнкү бутак боюнча поляритондордун ийгиликтүү чачырашына алып келиши мүмкүн жана поляритондун пайда болушуна байланыштуу өтө тар эмиссия схемасын түзүшү мүмкүн. Бирок, бул экспериментте hBN туннель тосмосунун диэлектрдик бузулушу менен байланышкан чектөөлөрдөн улам буга жетишүү мүмкүн болгон жок.
Кызыл чекиттер күйгүзүлгөн 3d башка көрсөткүчтүн өлчөөлөрүн көрсөтүү - тышкы кванттык эффективдүүлүк*.
Кванттык эффективдүүлүк* — жутулушу квазибөлүкчөлөрдүн пайда болушуна себеп болгон фотондордун санынын жутулган фотондордун жалпы санына катышы.
Байкалган кванттык эффективдүүлүк башка поляритондук светодиоддордогу (органикалык материалдарга, көмүр түтүктөрүнө ж.б. негизделген) салыштырууга болот. Изилделип жаткан аппаратта жарык чыгаруучу катмардын калыңдыгы бар болгону 0.7 нм болсо, башка приборлордо бул көрсөткүч алда канча жогору экенин белгилей кетүү керек. Окумуштуулар алардын аппаратынын кванттык эффективдүүлүгү эң жогорку эмес экенин жашырышпайт, бирок аны туннель зонасынын ичине hBN жука катмарлары менен бөлүнгөн көбүрөөк сандагы моно катмарларды жайгаштыруу менен жогорулатууга болот.
Окумуштуулар ошондой эле резонатордук детюнингдин поляритон ELге тийгизген таасирин дагы бир аппаратты жасап, бирок күчтүүрөөк детунинг (-43 меВ) менен сынашкан.
Сүрөт №4
Сүрөттө 4a Мындай түзүлүштүн бурчтук резолюциясы бар EL спектрлери 0.2 мкА/мкм2 токтун тыгыздыгында көрсөтүлгөн. Күчтүү детюнингдин аркасында аппарат ELде чоң бурчта пайда болгон эмиссиянын максимуму менен айкын тар моюндук эффектин көрсөтөт. Бул сүрөттө дагы тастыкталган 4b, мында бул аппараттын полярдык графиктери биринчиси менен салыштырылат (2c).
Изилдөөнүн нюанстары менен кененирээк таанышуу үчүн мен карап көрүүнү сунуштайм .
эпилогунда
Ошентип, жогоруда сүрөттөлгөн бардык байкоолор жана өлчөөлөр оптикалык микро көңдөйгө салынган vdW гетероструктурасында поляритондук электролюминесценциянын бар экендигин тастыктайт. Изилденип жаткан аппараттын туннелдик архитектурасы жарык чыгаруучу катары кызмат кылган WS2 монокатмарында электрондорду/тешиктерди жана рекомбинацияны киргизүүнү камсыздайт. Аппараттын туннелдик механизми жоготууларды жана температурага байланыштуу ар кандай өзгөрүүлөрдү минималдаштыруучу компоненттерди эритүүнү талап кылбашы маанилүү.
Резонатордун дисперстүүлүгүнөн улам ЭЛ жогорку багыттуулукка ээ экени аныкталган. Ошондуктан, көңдөй сапат факторун жакшыртуу жана жогорку ток жеткирүү microcavity LEDs, ошондой эле электр менен башкарылуучу microcavity поляритондор жана фотоникалык лазерлердин натыйжалуулугун жакшыртат.
Бул иш дагы бир жолу өткөөл металл dihalcogenides чынында эле уникалдуу касиеттери жана колдонуу абдан кенен спектри бар экенин тастыктады.
Мындай изилдөөлөр жана инновациялык ойлоп табуулар LED жана жарыктын өзүн колдонуу менен маалыматтарды берүү технологияларын өнүктүрүүгө жана жайылтууга чоң таасирин тийгизет. Мындай футуристтик технологияларга Li-Fi кирет, ал азыркы учурда жеткиликтүү Wi-Fiга караганда бир кыйла жогорку ылдамдыкты камсыздай алат.
Окуганыңыз үчүн рахмат, кызыктуу болуңуз жана жумаңыз жакшы өтсүн! 🙂
Биз менен болгонуңуз үчүн рахмат. Биздин макалалар сизге жагабы? Көбүрөөк кызыктуу мазмунду көргүңүз келеби? Буйрутма берүү же досторуңузга сунуштоо менен бизди колдоңуз, Habr колдонуучулары үчүн биз сиз үчүн ойлоп тапкан баштапкы деңгээлдеги серверлердин уникалдуу аналогуна 30% арзандатуу: (RAID1 жана RAID10 менен жеткиликтүү, 24 өзөккө чейин жана 40 ГБ DDR4 чейин).
Dell R730xd 2 эсе арзанбы? Бул жерде гана Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 доллардан! Жөнүндө окуу
Source: www.habr.com