ProHoster > Blogs > Administrācija > Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda

Jau daudzus gadus zinātnieki no visas pasaules ir darÄ«juÅ”i divas lietas ā€“ izgudro un uzlabo. Un dažreiz nav skaidrs, kas ir grÅ«tāk. Ņemiet, piemēram, parastās gaismas diodes, kas mums Ŕķiet tik vienkārÅ”as un parastas, ka mēs tām pat nepievērÅ”am uzmanÄ«bu. Bet, ja pēc garÅ”as pievienosi dažus eksitonus, Ŕķipsniņu polaritonus un volframa disulfÄ«du, gaismas diodes vairs nebÅ«s tik prozaiskas. Visi Å”ie neskaidrie termini ir ārkārtÄ«gi neparastu komponentu nosaukumi, kuru kombinācija ļāva Ņujorkas pilsētas koledžas zinātniekiem izveidot jaunu sistēmu, kas spēj pārraidÄ«t informāciju ārkārtÄ«gi ātri, izmantojot gaismu. Å Ä« attÄ«stÄ«ba palÄ«dzēs uzlabot Li-Fi tehnoloÄ£iju. Kādas tieÅ”i jaunās tehnoloÄ£ijas sastāvdaļas tika izmantotas, kāda ir Ŕī ā€œtraukaā€ recepte un kāda ir jaunā eksitona-polaritona LED darbÄ«bas efektivitāte? Par to mums pastāstÄ«s zinātnieku ziņojums. Aiziet.

Pētījuma bāze

Ja mēs visu vienkārÅ”ojam lÄ«dz vienam vārdam, tad Ŕī tehnoloÄ£ija ir viegla un viss, kas ar to saistÄ«ts. Pirmkārt, polaritoni, kas rodas, fotoniem mijiedarbojoties ar vides ierosmi (fononi, eksitoni, plazmoni, magnoni utt.). Otrkārt, eksitoni ir elektroniski ierosinājumi dielektrikā, pusvadÄ«tājā vai metālā, kas migrē pa visu kristālu un nav saistÄ«ti ar elektriskā lādiņa un masas pārneÅ”anu.

SvarÄ«gi atzÄ«mēt, ka Ŕīs kvazidaļiņas ļoti mÄ«l aukstumu, t.i. To darbÄ«bu var novērot tikai ārkārtÄ«gi zemā temperatÅ«rā, kas ievērojami ierobežo to praktisko pielietojumu. Bet tas bija agrāk. Å ajā darbā zinātnieki spēja pārvarēt temperatÅ«ras ierobežojumu un izmantot tos istabas temperatÅ«rā.

Galvenā polaritonu iezīme ir spēja saistīt fotonus savā starpā. Fotoni, kas saduras ar rubīdija atomiem, iegūst masu. Atkārtotu sadursmju procesā fotoni atlec viens no otra, bet retos gadījumos tie veido pārus un tripletus, vienlaikus zaudējot atomu komponentu, ko attēlo rubīdija atoms.

Bet, lai kaut ko darītu ar gaismu, tā ir jānoķer. Šim nolūkam ir nepiecieŔams optiskais rezonators, kas ir atstarojoŔu elementu kopums, kas veido stāvoŔu gaismas vilni.

Šajā pētījumā svarīgākā loma ir vēl neparastākām kvazidaļiņām - eksitoniem-polaritoniem, kas veidojas, pateicoties spēcīgai optiskā dobumā iesprostoto eksitonu un fotonu savienojumam.

Taču ar to ir par maz, jo ir vajadzÄ«ga, tā teikt, materiāla bāze. Un kurÅ” labāks par pārejas metālu dikalkogenÄ«du (TMD) spēlēs Å”o lomu? PrecÄ«zāk, kā izstarojoÅ”ais materiāls tika izmantots WS2 (volframa disulfÄ«da) vienslānis, kuram ir iespaidÄ«gas eksitonu saistÄ«Å”anas enerÄ£ijas, kas kļuva par vienu no galvenajiem kritērijiem materiālās bāzes izvēlē.

Visu iepriekŔ aprakstīto elementu kombinācija ļāva izveidot elektriski vadāmu polaritona LED, kas darbojas istabas temperatūrā.

Lai realizētu Å”o ierÄ«ci, WS2 vienslānis ir iestiprināts starp plānām seÅ”stÅ«ra bora nitrÄ«da (hBN) tuneļa barjerām ar grafēna slāņiem, kas darbojas kā elektrodi.

Pētījuma rezultāti

WS2, kas ir pārejas metālu dikalkogenīds, ir arī atomiski plāns van der Vāls (vdW) materiāls. Tas liecina par tās unikālajām elektriskām, optiskajām, mehāniskajām un termiskajām īpaŔībām.

Kombinācijā ar citiem vdW materiāliem, piemēram, grafēnu (kā vadÄ«tāju) un seÅ”stÅ«ra bora nitrÄ«du (hBN, kā izolatoru), var realizēt veselu virkni elektriski vadāmu pusvadÄ«tāju ierīču, tostarp gaismas diodes. LÄ«dzÄ«gas van der Vālsa materiālu un polaritonu kombinācijas jau ir realizētas iepriekÅ”, kā atklāti apgalvo pētnieki. Tomēr iepriekŔējos darbos iegÅ«tās sistēmas bija sarežģītas un nepilnÄ«gas, un tās neatklāja visu katra komponenta potenciālu.

Viena no idejām, ko iedvesmojuÅ”i priekÅ”gājēji, bija divdimensiju materiāla platformas izmantoÅ”ana. Å ajā gadÄ«jumā ir iespējams realizēt ierÄ«ces ar atomiski plāniem izstarojoÅ”iem slāņiem, kurus var integrēt ar citiem vdW materiāliem, kas darbojas kā kontakti (grafēns) un tuneļa barjeras (hBN). Turklāt Ŕāda divdimensionalitāte ļauj apvienot polaritona gaismas diodes ar vdW materiāliem, kuriem ir neparastas magnētiskās Ä«paŔības, spēcÄ«ga supravadÄ«tspēja un/vai nestandarta topoloÄ£iskās pārraides. Šādas kombinācijas rezultātā var iegÅ«t pilnÄ«gi jauna tipa ierÄ«ci, kuras Ä«paŔības var bÅ«t visai neparastas. Bet, kā saka zinātnieki, Ŕī ir cita pētÄ«juma tēma.

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda
1. attēls

Uz attēla 1Š° parādÄ«ts ierÄ«ces trÄ«sdimensiju modelis, kas atgādina slāņa kÅ«ku. Optiskā rezonatora augŔējais spogulis ir sudraba slānis, bet apakŔējais spogulis ir sadalÄ«ts 12 slāņos. Bragg atstarotājs*. AktÄ«vajā reÄ£ionā ir tuneļa zona.

Izkliedētais Bragg atstarotājs* - vairāku slāņu struktÅ«ra, kurā materiāla lauÅ”anas koeficients periodiski mainās perpendikulāri slāņiem.

Tuneļa zona sastāv no vdW heterostruktÅ«ras, kas sastāv no WS2 monoslāņa (gaismas izstarotājs), plāniem hBN slāņiem abās monoslāņa pusēs (tuneļa barjera) un grafēna (caurspÄ«dÄ«gi elektrodi elektronu un caurumu ievadÄ«Å”anai).

Tika pievienoti vēl divi WS2 slāņi, lai palielinātu oscilatora kopējo stiprumu un tādējādi radÄ«tu izteiktāku polaritona stāvokļu Rabi sadalÄ«Å”anos.

Rezonatora darbÄ«bas režīms tiek regulēts, mainot PMMA slāņa (polimetilmetakrilāta, t.i., organiskā stikla) ā€‹ā€‹biezumu.

Š˜Š·Š¾Š±Ń€Š°Š¶ŠµŠ½ŠøŠµ 1b Å is ir momentuzņēmums no vdW heterostruktÅ«ras uz sadalÄ«tā Bragg reflektora virsmas. Sakarā ar sadalÄ«tā Bragg reflektora, kas ir apakŔējais slānis, augsto atstaroÅ”anas spēju, tuneļa zonai attēlā ir ļoti zems atstaroÅ”anas kontrasts, kā rezultātā tiek novērots tikai augŔējais biezais hBN slānis.

Ieplānot 1s attēlo heterostruktÅ«ras vdW zonas diagrammu tuneļa Ä£eometrijā nobÄ«des laikā. Elektroluminiscence (EL) tiek novērota virs sliekŔņa sprieguma, kad augŔējā (apakŔējā) grafēna Fermi lÄ«menis tiek novirzÄ«ts virs (zem) WS2 vadÄ«tspējas (valences) joslas, ļaujot elektronam (caurumam) ieplÅ«st vadÄ«tspējā (valence). WS2 josla. Tas rada labvēlÄ«gus apstākļus eksitonu veidoÅ”anai WS2 slānÄ« ar sekojoÅ”u izstarojoÅ”u (radiatÄ«vu) elektronu caurumu rekombināciju.

AtŔķirÄ«bā no pn savienojuma gaismas emitētājiem, kuru darbÄ«bai nepiecieÅ”ams dopings, tuneļa ierīču EL ir atkarÄ«ga tikai no tuneļa strāvas, izvairoties no optiskiem zudumiem un jebkādām pretestÄ«bas izmaiņām, ko izraisa temperatÅ«ras izmaiņas. Tajā paŔā laikā tuneļa arhitektÅ«ra pieļauj daudz lielāku emisijas reÄ£ionu, salÄ«dzinot ar dihalkogenÄ«da ierÄ«cēm, kuru pamatā ir pn krustojumi.

Š˜Š·Š¾Š±Ń€Š°Š¶ŠµŠ½ŠøŠµ 1d parāda tuneļa strāvas blÄ«vuma elektriskos raksturlielumus (J) kā nobÄ«des sprieguma funkcija (V) starp grafēna elektrodiem. StraujÅ” strāvas pieaugums gan pozitÄ«vajiem, gan negatÄ«vajiem spriegumiem norāda uz tuneļa strāvas parādÄ«Å”anos caur konstrukciju. Pie optimālā hBN slāņu biezuma (~ 2 nm) tiek novērota ievērojama tunelÄ“Å”anas strāva un radiācijas rekombinācijas iegulto nesēju kalpoÅ”anas laika pieaugums.

Pirms elektroluminiscences eksperimenta veikÅ”anas ierÄ«ci raksturoja ar leņķa izŔķirtspējas baltās gaismas atstaroÅ”anos, lai apstiprinātu spēcÄ«gas eksitoniskās savienojuma klātbÅ«tni.

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda
2. attēls

Uz attēla 2Š° Tiek parādÄ«ti leņķa izŔķirtspējas atstaroÅ”anas spektri no ierÄ«ces aktÄ«vā apgabala, kas parāda pretkrustoÅ”anās uzvedÄ«bu. Fotoluminiscence (PL) tika novērota arÄ« bez rezonanses ierosmes (460 nm), parādot intensÄ«vu emisiju no apakŔējā polaritona zara un vājāku emisiju no augŔējā polaritona zara (2b).

uz 2s parāda polaritona elektroluminiscences izkliedi pie injekcijas ātruma 0.1 Ī¼A/Ī¼m2. Rabi sadalÄ«Å”ana un dobuma detunings, kas iegÅ«ts, pielāgojot oscilatora režīmus (vienmērÄ«ga un pārtraukta balta lÄ«nija) EL eksperimentam, ir attiecÄ«gi ļ½ž33 meV un ļ½ž-13 meV. Dobuma detuning ir definēts kā Ī“ = Ec āˆ’ Ex, kur Ex ir eksitona enerÄ£ija un Ec apzÄ«mē plaknes nulles impulsa dobuma fotonu enerÄ£iju. Grafiks 2d Tas ir griezums dažādos leņķos no elektroluminiscences dispersijas. Å eit ir skaidri redzama augŔējā un apakŔējā polaritona režīma izkliede ar pretkrustoÅ”anos, kas notiek eksitona rezonanses zonā.

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda
3. attēls

Palielinoties tuneļa strāvai, palielinās kopējā EL intensitāte. Vāja EL no polaritoniem tiek novērota netālu no sliekŔņa nobÄ«des (3Š°), kamēr pie pietiekami liela pārvietojuma virs sliekŔņa, polaritona emisija kļūst atŔķirÄ«ga (3b).

Uz attēla 3s parāda EL intensitātes polāro grafiku kā leņķa funkciju, attēlojot Å”auru emisijas konusu Ā±15Ā°. Radiācijas shēma praktiski nemainās gan minimālajai (zaļā lÄ«kne), gan maksimālajai (oranža lÄ«kne) ierosmes strāvai. Ieslēgts 3d parāda integrēto intensitāti dažādām kustÄ«gām tuneļa strāvām, kas, kā redzams no grafika, ir diezgan lineāra. Tāpēc strāvas palielināŔana lÄ«dz augstām vērtÄ«bām var izraisÄ«t veiksmÄ«gu polaritonu izkliedi pa apakŔējo zaru un radÄ«t ārkārtÄ«gi Å”auru emisijas modeli polaritonu Ä£enerÄ“Å”anas dēļ. Tomēr Å”ajā eksperimentā to nebija iespējams sasniegt ierobežojumu dēļ, kas saistÄ«ts ar hBN tuneļa barjeras dielektrisko sadalÄ«jumu.

Ir sarkani punktiņi 3d parādīt cita rādītāja mērījumus - ārējo kvantu efektivitāte*.

Kvantu efektivitāte* ā€” fotonu skaita attiecÄ«ba pret kopējo absorbēto fotonu skaitu, kuru absorbcija izraisÄ«ja kvazidaļiņu veidoÅ”anos.

Novērotā kvantu efektivitāte ir salÄ«dzināma ar citos polaritona gaismas diodēs (kuru pamatā ir organiskie materiāli, oglekļa caurules utt.). Ir vērts atzÄ«mēt, ka pētāmajā ierÄ«cē gaismu izstarojoŔā slāņa biezums ir tikai 0.7 nm, savukārt citās ierÄ«cēs Ŕī vērtÄ«ba ir daudz lielāka. Zinātnieki neslēpj, ka viņu ierÄ«ces kvantu efektivitāte nav tā augstākā, taču to var palielināt, tuneļa zonā ievietojot lielāku skaitu monoslāņu, kas atdalÄ«ti ar plāniem hBN slāņiem.

Pētnieki arī pārbaudīja rezonatora detuning ietekmi uz polariton EL, izveidojot citu ierīci, bet ar spēcīgāku detuning (-43 meV).

Li-Fi nākotne: polaritoni, eksitoni, fotoni un nedaudz volframa disulfīda
4. attēls

Uz attēla 4Š° Šādas ierÄ«ces EL spektri ar leņķisko izŔķirtspēju tiek parādÄ«ti pie strāvas blÄ«vuma 0.2 Ī¼A/Ī¼m2. SpēcÄ«gās detunings dēļ ierÄ«cei ir izteikts saÅ”aurinājuma efekts EL ar emisijas maksimumu, kas rodas lielā leņķī. Tas ir vēl vairāk apstiprināts attēlā 4b, kur Ŕīs ierÄ«ces polārie grafiki ir salÄ«dzināti ar pirmo (2s).

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki.

Epilogs

Tādējādi visi iepriekÅ” aprakstÄ«tie novērojumi un mērÄ«jumi apstiprina polaritona elektroluminiscences klātbÅ«tni vdW heterostruktÅ«rā, kas iebÅ«vēta optiskā mikrodobumā. Pētāmās ierÄ«ces tuneļa arhitektÅ«ra nodroÅ”ina elektronu/caurumu ievadÄ«Å”anu un rekombināciju WS2 monoslānÄ«, kas kalpo kā gaismas izstarotājs. Ir svarÄ«gi, lai ierÄ«ces tuneļa mehānisms neprasa detaļu sakausÄ“Å”anu, kas samazina zudumus un dažādas ar temperatÅ«ru saistÄ«tas izmaiņas.

Tika konstatēts, ka EL ir augsta virziena dēļ rezonatora dispersija. Tāpēc, uzlabojot dobuma kvalitātes koeficientu un lielāku strāvas padevi, tiks uzlabota mikrodobuma gaismas diožu, kā arī elektriski vadāmo mikrodobuma polaritonu un fotonisko lāzeru efektivitāte.

Å is darbs vēlreiz apstiprināja, ka pārejas metālu dihalkogenÄ«diem ir patiesi unikālas Ä«paŔības un ļoti plaÅ”s pielietojuma klāsts.

Šādi pētÄ«jumi un inovatÄ«vi izgudrojumi var lielā mērā ietekmēt datu pārraides tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«bu un izplatÄ«bu, izmantojot LED un paÅ”u gaismu. Šādas futÅ«ristiskas tehnoloÄ£ijas ietver Li-Fi, kas var nodroÅ”ināt ievērojami lielāku ātrumu nekā paÅ”laik pieejamais Wi-Fi.

Paldies, ka lasÄ«jāt, esiet zinātkārs un lai jums lieliska nedēļa, puiÅ”i! šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru