Zënter ville Joeren hunn d'Wëssenschaftler aus der ganzer Welt zwou Saache gemaach - erfannen a verbesseren. An heiansdo ass et net kloer wat méi schwéier ass. Huelt zum Beispill gewéinlech LEDs, déi eis sou einfach a gewéinlech schéngen, datt mir net emol op si oppassen. Awer wann Dir e puer Exzitonen, eng Prise vu Polaritonen a Wolframdisulfid fir ze schmaachen, ginn d'LEDs net méi sou prosaesch. All dës abstrus Begrëffer sinn d'Nimm vun extrem ongewéinleche Komponenten, d'Kombinatioun vun deenen d'Wëssenschaftler vum City College vun New York erlaabt hunn en neie System ze kreéieren deen d'Informatioun extrem séier mat Liicht iwwerdroe kann. Dës Entwécklung hëlleft Li-Fi Technologie ze verbesseren. Wéi genee Zutaten vun der neier Technologie goufen benotzt, wat ass d'Rezept fir dësen "Geriicht" a wat ass d'Betribseffizienz vun der neier Exciton-Polariton LED? De Bericht vun de Wëssenschaftler wäert eis iwwer dëst soen. Gitt.
Basis vun der Etude
Wa mir alles op ee Wuert vereinfachen, dann ass dës Technologie liicht an alles verbonne mat deem. Éischtens, Polaritonen, déi entstinn wann Photonen mat Excitatiounen vum Medium interagéieren (Phononen, Exzitonen, Plasmonen, Magnonen, asw.). Zweetens, Exzitonen sinn elektronesch Excitatiounen an engem Dielektrik, Halbleiter oder Metall, déi duerch de Kristall migréieren an net mam Transfer vun elektrescher Ladung a Mass verbonne sinn.
Et ass wichteg ze bemierken datt dës Quasi-Partikel ganz kal gär hunn, d.h. Hir Aktivitéit kann nëmme bei extrem niddregen Temperaturen observéiert ginn, wat hir praktesch Uwendung staark limitéiert. Mä dat war virdrun. An dëser Aarbecht konnten d'Wëssenschaftler d'Temperaturbegrenzung iwwerwannen an se bei Raumtemperaturen benotzen.
D'Haaptmerkmale vu Polaritonen ass d'Fäegkeet Photonen mateneen ze binden. Photone kollidéieren mat Rubidium Atomer kréien Mass. Am Prozess vu widderholl Kollisiounen sprangen d'Photonne sech vuneneen of, awer a rare Fäll bilden se Pairen an Tripletten, wärend d'Atomkomponent verléiert, representéiert vum Rubidiumatom.
Awer fir eppes mat Liicht ze maachen, musst Dir et fänken. Fir dëst ass en opteschen Resonator gebraucht, deen eng Rei vu reflektive Elementer ass, déi eng stänneg Liichtwell bilden.
An dëser Etude spillt déi wichtegst Roll nach méi ongewéinlech Quasipartikelen - Exziton-Polaritonen, déi duerch déi staark Kopplung vun Exzitonen a Photonen, déi an engem opteschen Huelraum agefaange sinn, geformt ginn.
Dat geet awer net duer, well eng materiell Basis brauch, souzesoen. A wien besser wéi Iwwergangsmetall-Dicalcogenid (TMD) wäert dës Roll spillen? Méi präzis gouf e WS2 (Wolfram-Disulfid) Monolayer als emittéierend Material benotzt, wat beandrockend excitonbindende Energien huet, wat ee vun den Haaptkriterien fir d'Materialbasis auswielen.
D'Kombinatioun vun all den uewe beschriwwenen Elementer huet et méiglech gemaach eng elektresch kontrolléiert Polariton LED ze kreéieren déi bei Raumtemperatur funktionnéiert.
Fir dësen Apparat ze realiséieren, ass eng Mono-Schicht vu WS2 tëscht dënnen sechseckegen Bornitrid (hBN) Tunnelbarrièren mat Graphenschichten, déi als Elektroden handelen.
Fuerschungsresultater
WS2, als Iwwergangsmetall-Dicalcogenid, ass och en atomesch dënnt Van der Waals (vdW) Material. Dëst schwätzt fir seng eenzegaarteg elektresch, optesch, mechanesch an thermesch Eegeschaften.
A Kombinatioun mat anere vdW Materialien, wéi Graphen (als Dirigent) a sechseckegen Bornitrid (hBN, als Isolator), kënnen eng ganz Rei vun elektresch kontrolléiert Hallefleitgeräter, déi LEDs enthalen, realiséiert ginn. Ähnlech Kombinatioune vu van der Waals Materialien a Polaritone si scho virdru realiséiert ginn, wéi d'Fuerscher offen soen. Wéi och ëmmer, a fréiere Wierker waren déi resultéierend Systemer komplex an onvollstänneg, an hunn net dat vollt Potenzial vun all Komponent opgedeckt.
Eng vun den Iddien, déi vu Virgänger inspiréiert gouf, war d'Benotzung vun enger zweedimensionaler Materialplattform. An dësem Fall ass et méiglech Apparater mat atomesch dënnen emissive Schichten ze realiséieren, déi mat anere vdW Materialien integréiert kënne ginn, déi als Kontakter (Grafén) an Tunnelbarrièren (hBN) handelen. Zousätzlech, mécht esou zwee-Dimensiounen et méiglech Polariton LEDs mat vdW Materialien ze kombinéieren déi ongewéinlech magnetesch Eegeschaften hunn, staark superconductivity an / oder net-Standard topological Transfere. Als Resultat vun esou enger Kombinatioun kann e komplett neien Typ vun Apparat kritt ginn, d'Eegeschafte vun deem ganz ongewéinlech kënne sinn. Awer, wéi d'Wëssenschaftler soen, ass dëst en Thema fir eng aner Etude.
Bild #1
Am Bild 1 weist en dräi-zweedimensional Modell vun engem Apparat datt e Layer Kuch gläicht. Den ieweschte Spigel vum optesche Resonator ass eng Schicht vu Sëlwer, an den ënneschten Spigel ass eng 12-Schicht verdeelt Bragg Reflektor*. Déi aktiv Regioun enthält eng Tunnelzone.
Verdeelt Bragg Reflektor* - eng Struktur vu verschiddene Schichten, an deenen de Brechungsindex vum Material periodesch senkrecht op d'Schichten ännert.
D'Tunnelzone besteet aus enger vdW-Heterostruktur, déi aus enger WS2-Monolayer (Liichtemitter), dënnen Schichten vun hBN op béide Säiten vun der Mono-Layer (Tunnelbarriär) a Grafen (transparente Elektroden fir Elektronen a Lächer agefouert gëtt).
Zwee méi Schichten vum WS2 goufen derbäigesat fir d'Gesamtstäerkt vum Oszilléierer ze erhéijen an doduerch méi ausgeschwat Rabi Spaltung vun de Polaritonstaaten ze produzéieren.
Den Operatiounsmodus vum Resonator gëtt ugepasst andeems d'Dicke vun der PMMA Schicht geännert gëtt (Polymethylmethacrylat, dh Plexiglas).
Image Image 1b Dëst ass e Snapshot vun enger vdW Heterostruktur op der Uewerfläch vun engem verdeelte Bragg Reflektor. Wéinst der héijer Reflexivitéit vum verdeelte Bragg-Reflektor, deen déi ënnescht Schicht ass, huet d'Tunnelzon am Bild e ganz nidderegen Reflexiounskontrast, wouduerch nëmmen déi iewescht déck hBN-Schicht observéiert gëtt.
Graf 1c stellt de vdW Zonediagramm vun der Heterostruktur an der Tunnelgeometrie ënner Verrécklung duer. Elektrolumineszenz (EL) gëtt iwwer d'Schwellspannung beobachtet wann de Fermi-Niveau vum Top (ënnen) Graphen iwwer (ënner) d'Leedung (Valenz) Band vum WS2 verréckelt gëtt, wat en Elektron (Lach) erlaabt an d'Leedung (Valenz) ze tunnelen. Band vun WS2. Dëst schaaft gënschteg Bedéngungen fir d'Bildung vun Exzitonen an der WS2-Schicht mat spéider stralung (stralung) Elektronen-Lach Rekombinatioun.
Géigesaz pn Kräizung Liichtjoer Emitter, déi verlaangen Doping ze bedreiwen, EL aus Tunnel Apparater hänkt eleng op den Tunnel aktuell, vermeit optesch Verloschter an all Ännerungen an resistivity duerch Temperatur Ännerungen verursaacht. Zur selwechter Zäit erlaabt d'Tunnelarchitektur eng vill méi grouss Emissiounsregioun am Verglach mat Dicalcogenid-Geräter baséiert op pn-Kräizungen.
Image Image 1d weist d'elektresch Charakteristike vun der Tunnelstroumdichte (J) als Funktioun vun der Biasspannung (V) tëscht graphene Elektroden. Eng schaarf Erhéijung vum Stroum fir béid positiv an negativ Spannungen weist d'Optriede vum Tunnelstroum duerch d'Struktur un. Bei der optimaler Dicke vun hBN Schichten (~ 2 nm) ginn e bedeitende Tunnelstroum an eng Erhéijung vun der Liewensdauer vun embedded Carrier fir Stralungsrekombinatioun observéiert.
Ier Dir d'Elektrolumineszenz Experimenter duerchgefouert huet, gouf den Apparat duerch Wénkel geléist wäiss Liichtreflektioun charakteriséiert fir d'Präsenz vu staarker excitonescher Kupplung ze bestätegen.
Bild #2
Am Bild 2 Wénkel geléist Reflexiounsspektre vun der aktiver Regioun vum Apparat ginn gewisen, wat Anti-Kräizungsverhalen demonstréiert. Photolumineszenz (PL) gouf och ënner net-resonanter Excitatioun (460 nm) observéiert, déi intensiv Emissioun vun der ënneschter Polaritonzweig a méi schwaacher Emissioun vun der ieweschter Polaritonzweig weist (2b).
op 2c weist d'Dispersioun vu Polariton Elektrolumineszenz bei enger Injektiounsquote vun 0.1 μA / μm2. D'Rabi-Spaltung an d'Kavitéitsdetunéierung kritt andeems d'Oszillatormodi (zolidd a gestreckt wäiss Linn) an d'EL Experiment passt sinn ～33 meV a ～-13 meV, respektiv. D'Kavitéitsdetuning gëtt definéiert als δ = Ec − Ex, wou Ex d'Exzitonenergie ass an Ec d'In-plane Null-Momentum Huelraum Photonenergie bezeechent. Zäitplang 2d Dëst ass e Schnëtt a verschiddene Winkele vun der elektrolumineszenter Dispersioun. Hei ass d'Dispersioun vun den ieweschten an ënneschten Polariton-Modi mat Anti-Kräizung, déi an der Exziton-Resonanzzon geschitt, kloer ze gesinn.
Bild #3
Wéi den Tunnelstroum eropgeet, erhéicht d'Gesamt EL Intensitéit. Schwaach EL vu Polaritonen gëtt no bei der Schwellverschiebung observéiert (3), wärend bei enger genuch grousser Verschiebung iwwer dem Schwell, gëtt d'Polaritonemissioun ënnerscheet (3b).
Am Bild 3c weist e polare Komplott vun der EL-Intensitéit als Funktioun vum Wénkel, deen e schmuele Emissiounskegel vun ±15° weist. D'Stralungsmuster bleift quasi onverännert souwuel fir de Minimum (gréng Curve) wéi och fir de Maximum (orange Curve) Excitatiounsstroum. Op 3d weist d'integréiert Intensitéit fir verschidde bewegt Tunnelstroum, déi, wéi aus der Grafik ze gesinn ass, zimlech linear ass. Dofir kann d'Erhéijung vum Stroum op héich Wäerter zu enger erfollegräicher Streuung vu Polaritonen laanscht déi ënnescht Branche féieren an en extrem schmuele Emissiounsmuster erstellen wéinst der Polaritongeneratioun. Wéi och ëmmer, an dësem Experiment war et net méiglech dëst z'erreechen wéinst der Begrenzung, déi mam dielektreschen Decompte vun der hBN Tunnelbarriär ass.
Roude Punkten op 3d weisen Miessunge vun engem aneren Indikator - extern Quante Effizienz*.
Quante Effizienz* - d'Verhältnis vun der Unzuel vun de Photonen, déi d'Absorptioun vun deenen d'Bildung vu Quasipartikelen verursaacht huet, an d'Gesamtzuel vun absorbéierte Photonen.
Déi observéiert Quanteeffizienz ass vergläichbar mat deem an anere Polariton LEDs (baséiert op organesche Materialien, Kuelestoffröhren, etc.). Et ass derwäert opgeschriwwen, datt am Apparat ënner studéiert d'Dicke vun der Liichtjoer Layer nëmmen 0.7 nm ass, während an aneren Apparater dëse Wäert vill méi héich ass. D'Wëssenschaftler verstoppen d'Tatsaach net datt d'Quanteeffizienz vun hirem Apparat net déi héchst ass, awer et kann erhéicht ginn andeems eng méi grouss Zuel vu Monoschichten an der Tunnelzone plazéiert ass, getrennt duerch dënn Schichten vun hBN.
D'Fuerscher hunn och den Effet vum Resonator-Detuning op Polariton EL getest andeems en en aneren Apparat gemaach huet, awer mat enger méi staarker Detuning (-43 meV).
Bild #4
Am Bild 4 EL Spektre mat Wénkelopléisung vun esou engem Apparat ginn bei enger aktueller Dicht vun 0.2 μA/μm2 gewisen. Wéinst der staarker Detuning weist den Apparat e ausgeprägte Flaschenhalseffekt an der EL mat dem Emissiounsmaximum an engem grousse Wénkel. Dëst gëtt weider am Bild bestätegt 4b, wou d'polare Grafike vun dësem Apparat mat der éischter verglach ginn (2c).
Fir e méi detailléierte Verständnis vun den Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op .
Epilogue
Also bestätegen all d'Observatiounen a Miessunge uewen beschriwwen d'Präsenz vu Polariton Elektrolumineszenz an enger vdW Heterostruktur, déi an eng optesch Mikrokavitéit gebaut ass. D'Tunnelarchitektur vum Apparat ënner Studie garantéiert d'Aféierung vun Elektronen / Lächer a Rekombinatioun an der WS2 Monolayer, déi als Liichtemitter déngt. Et ass wichteg datt den Tunnelmechanismus vum Apparat keng Legierung vu Komponenten erfuerdert, wat Verloschter a verschidde Temperaturverännerungen miniméiert.
Et gouf festgestallt datt EL eng héich Direktivitéit huet wéinst der Dispersioun vum Resonator. Dofir wäert d'Verbesserung vum Kavitéitsqualitéitsfaktor a méi héije Stroumversuergung d'Effizienz vun de Mikrokavitéit LEDs verbesseren, souwéi elektresch kontrolléiert Mikrokavitéitpolaritonen a photonesch Laser.
Dës Aarbecht huet nach eng Kéier bestätegt datt Iwwergangsmetall-Dicalcogeniden wierklech eenzegaarteg Eegeschaften an eng ganz breet Palette vun Uwendungen hunn.
Esou Fuerschung an innovativ Erfindungen kënnen d'Entwécklung an d'Verbreedung vun Datenübertragungstechnologien mat LEDs a Liicht selwer staark beaflossen. Esou futuristesch Technologien enthalen Li-Fi, déi wesentlech méi héich Geschwindegkeete kënne bidden wéi déi aktuell verfügbar Wi-Fi.
Merci fir d'Liesen, bleift virwëtzeg an hunn eng super Woch Kärelen! 🙂
Merci datt Dir bei eis bleift. Hutt Dir eis Artikelen gär? Wëllt Dir méi interessant Inhalt gesinn? Ënnerstëtzt eis andeems Dir eng Bestellung maacht oder Frënn empfeelt, 30% Remise fir Habr Benotzer op engem eenzegaartegen Analog vun Entry-Level Serveren, dee vun eis fir Iech erfonnt gouf: (verfügbar mat RAID1 an RAID10, bis zu 24 Kären a bis zu 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 Mol méi bëlleg? Nëmmen hei an Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vun $99! Liest iwwer
Source: will.com