Иднината на Li-Fi: поларитони, ексцитони, фотони и дел од волфрам дисулфид

Долги години, научниците од целиот свет прават две работи - измислуваат и подобруваат. И понекогаш не е јасно кое од овие е потешко. Земете ги, на пример, обичните LED диоди, кои ни изгледаат толку едноставни и обични што не обрнуваме внимание на нив. Но, ако додадете малку ексцитони, малку поларитони и волфрам дисулфид по вкус, LED диодите повеќе нема да бидат толку прозаични. Сите овие необични термини се имиња на крајно необични компоненти, чија комбинација им овозможи на научниците од Сити колеџот во Њујорк да создадат нов систем кој може исклучително брзо да пренесува информации користејќи светлина. Овој развој ќе помогне да се подобри технологијата Li-Fi. Кои точно состојки биле користени во новата технологија, кој е рецептот за ова „јадење“ и каква е ефикасноста на новата ексцитон-поларитон ЛЕД? Извештајот на научниците ќе ни каже за ова. Оди.

Истражувачка основа

Ако сè е поедноставено на еден збор, тогаш оваа технологија е лесна и сè што е поврзано со неа. Прво, поларитони, кои се појавуваат кога фотоните комуницираат со средни возбудувања (фонони, ексцитони, плазмони, магнони итн.). Второ, ексцитоните се електронско возбудување во диелектрик, полупроводник или метал, кои мигрираат низ кристалот и не се поврзани со пренос на електричен полнеж и маса.

Важно е да се напомене дека овие квазичестички многу го сакаат студот; нивната активност може да се набљудува само при екстремно ниски температури, што сериозно ја ограничува нивната практична примена. Но, тоа беше порано. Во оваа работа, научниците успеаја да го надминат ограничувањето на температурата и да ги користат на собни температури.

Главната карактеристика на поларитоните е способноста да ги врзуваат фотоните едни со други. Фотоните кои се судираат со атомите на рубидиум добиваат маса. Во процесот на повеќекратни судири, фотоните се одбиваат еден од друг, но во ретки случаи тие формираат парови и тројки, додека ја губат атомската компонента претставена со атомот на рубидиум.

Но, за да се направи нешто со светлината, мора да се фати. За ова, потребен е оптички резонатор, кој е комбинација од рефлектирачки елементи кои формираат стоечки светлосен бран.

Во оваа студија, пресудна улога играат уште понеобичните квазичестички, ексцитон-поларитони, кои се формираат поради силната спојка на ексцитони и фотони заробени во оптичка празнина.

Сепак, тоа не е доволно, бидејќи е неопходна материјална основа, така да се каже. И кој, ако не и преоден метал дихалкогенид (TDM), ќе ја игра оваа улога подобро од другите. Да бидеме попрецизни, како материјал што емитува е користен монослој од WS2 (волфрам дисулфид), кој има импресивни енергии на врзување на ексцитон, што стана еден од главните критериуми за избор на материјална основа.

Комбинацијата на сите елементи опишани погоре овозможи да се создаде електрично контролирана поларитон LED која работи на собна температура.

За да се имплементира овој уред, монослојот WS2 се наоѓа помеѓу тенки хексагонални бариери за тунелирање на бор нитрид (hBN) со графенски слоеви кои делуваат како електроди.

Резултати од истражувањето

WS2, како дихалкогенид на преоден метал, е исто така атомски тенок ван дер Валс (vdW) материјал. Ова укажува на неговите уникатни електрични, оптички, механички и термички својства.

Во комбинација со други vdW материјали, како што се графен (како проводник) и хексагонален бор нитрид (hBN, како изолатор), може да се реализираат цела разновидност на електрично контролирани полупроводнички уреди, кои вклучуваат LED диоди. Слични комбинации на материјали од ван дер Валс и поларитони веќе биле реализирани претходно, како што искрено велат истражувачите. Меѓутоа, во претходните списи, системите што беа добиени беа сложени и несовршени и не го откриваа целосниот потенцијал на секоја од компонентите.

Една од идеите инспирирана од претходниците беше употребата на дводимензионална материјална платформа. Во овој случај, можно е да се имплементираат уреди со атомски тенки емисиони слоеви кои можат да се интегрираат со други vdW материјали кои дејствуваат како контакти (графен) и бариери за тунелирање (hBN). Покрај тоа, оваа дводимензионалност овозможува комбинирање на поларитонски LED диоди со vdW материјали со необични магнетни својства, силна суперспроводливост и/или нестандардни тополошки трансфери. Како резултат на таквата комбинација, можете да добиете сосема нов тип на уред, чии својства може да бидат многу невообичаени. Но, како што велат научниците, ова е тема за друга студија.

Слика бр. 1

На сликата 1 покажува тродимензионален модел на уред кој наликува на слојна торта. Горното огледало на оптичкиот резонатор е сребрен слој, а долниот е 12-слоен распореден Брег рефлектор*. Во активниот регион има зона на тунел.

Дистрибуиран Браг Рефлектор* - структура од неколку слоеви, во која индексот на рефракција на материјалот периодично се менува нормално на слоевите.

Зоната на тунелот се состои од vdW хетероструктура која се состои од WS2 монослој (светлосен емитер), тенки hBN слоеви од двете страни на монослојот (тунелска бариера) и графен (проѕирни електроди за внесување на електрони и дупки).

Додадени се уште два слоја WS2 за да се зголеми вкупната јачина на осцилаторот и оттаму да се добие поизразено раби разделување на поларитонските состојби.

Режимот на работа на резонаторот се прилагодува со менување на дебелината на слојот PMMA (полиметил метакрилат, т.е. плексиглас).

Изображение 1b ова е снимка од хетероструктура на vdW на површината на дистрибуиран рефлектор на Брег. Поради високата рефлексивност на дистрибуираниот рефлектор Браг, кој е долниот слој, зоната на тунелот на сликата има многу низок контраст на рефлексија, како резултат на што се забележува само горниот дебел слој на hBN.

Распоред 1-ти го претставува зонскиот дијаграм на хетероструктурата vdW во геометријата на тунелот под поместување. Електролуминисценцијата (EL) се забележува над напонот на прагот кога нивото на Ферми на горниот (долниот) графен се поместува над (под) опсегот на спроводливост (валентност) WS2, дозволувајќи му на електрон (дупка) да тунелира во WS2 спроводливоста (валентност). бенд. Ова создава поволни услови за формирање на ексцитони во слојот WS2 проследено со радијативна (радијативна) рекомбинација на електрон-дупка.

За разлика од светлосните емитери засновани на pn спојници, за кои е потребен допинг за да функционира, EL од тунелските уреди зависи исклучиво од струјата на тунелот, која ги избегнува оптичките загуби и какви било промени во отпорноста предизвикани од температурните промени. Во исто време, архитектурата на тунелот овозможува многу поголема површина на зрачење во споредба со уредите со дихалкогенид базирани на pn спојници.

Изображение 1d ги покажува електричните карактеристики на густината на струјата на тунелирањето (J) како функција на пристрасен напон (V) помеѓу графенските електроди. Наглото зголемување на струјата и за позитивен и за негативен напон укажува на појава на струја на тунелирање низ структурата. При оптимална дебелина на слоевите hBN (~ 2 nm), се забележува значителна струја на тунелирање и зголемување на животниот век на вградените носачи за радијативна рекомбинација.

Пред експериментот со електролуминисценција, уредот се карактеризираше со рефлексивност на белата светлина со аголна резолуција за да се потврди присуството на силно врзување на ексцитон.

Слика бр. 2

На сликата 2 Прикажани се спектри на рефлексија со резолуција на агол од активниот регион на уредот, што покажува однесување против вкрстување. Фотолуминисценција (PL) беше забележана и со нерезонантна ексцитација (460 nm), покажувајќи интензивна емисија од долната гранка на поларитонот и послаба емисија од горната гранка на поларитонот (2b).

На 2-ти дисперзијата на електролуминисценцијата на поларитон е прикажана за вметнување од 0.1 μA/μm2. Разделувањето на Раби и резонаторското детонирање добиени со приспособување на режимите на осцилаторот (цврста и со точки бела линија) на експериментот со електролуминисценција се ～33 meV и ～-13 meV, соодветно. Откажувањето на резонаторот се дефинира како δ = Ec − Ex, каде што Ex е енергијата на ексцитон, а Ec е енергијата на фотонот на резонаторот со нула импулс во рамнината. Распоред 2d тоа е засек под различни агли од електролуминисцентната дисперзија. Овде може јасно да се види дисперзијата на горните и долните поларитонски режими со антикрстење што се случува во зоната на ексцитонска резонанца.

Слика бр. 3

Како што се зголемува струјата на тунелирањето, се зголемува вкупниот EL интензитет. Слаб EL од поларитоните е забележан во близина на пристрасноста на прагот (3), додека при доволно големо поместување над прагот, емисијата на поларитон станува различна (3b).

На сликата 3-ти покажува поларен график на интензитетот на EL како функција од аголот, прикажувајќи тесен емисионски конус од ± 15°. Моделот на зрачење останува практично непроменет и за минималната (зелена крива) и за максималната (портокалова крива) струја на возбудување. На 3d интегрираниот интензитет е прикажан за различни подвижни тунелни струи, кој, како што може да се види од графиконот, е прилично линеарен. Затоа, зголемувањето на струјата до високи вредности може да доведе до успешно расејување на поларитоните долж долната гранка и да создаде исклучително тесен модел на зрачење поради создавањето на поларитони. Меѓутоа, во овој експеримент, тоа не беше можно поради ограничувањето поврзано со диелектричното распаѓање на бариерата за тунелирање hBN.

црвени точки на 3d покажуваат мерења на друг индикатор - надворешен квантна ефикасност*.

Квантна ефикасност* е односот на бројот на фотони чија апсорпција предизвикала формирање на квазичестички со вкупниот број на апсорбирани фотони.

Набљудуваната квантна ефикасност е споредлива со онаа кај другите поларитонски LED диоди (врз основа на органски материјали, јаглеродни цевки итн.). Треба да се напомене дека дебелината на слојот што емитува светлина во уредот што се испитува е само 0.7 nm, додека кај другите уреди оваа вредност е многу поголема. Научниците не го кријат фактот дека индексот на квантната ефикасност на нивниот уред не е највисок, но може да се зголеми со поставување на поголем број на еднослојни во внатрешноста на зоната на тунелот, разделени со тенки слоеви на hBN.

Истражувачите, исто така, го тестирале влијанието на детонирањето на резонаторот врз поларитонот ЕЛ со правење друг уред, но со посилно детонирање (-43 meV).

Слика бр. 4

На сликата 4 EL спектрите се прикажани со аголна резолуција на таков уред со густина на струја од 0.2 μA/μm2. Поради силното детонирање, уредот покажува изразен ефект на тесно грло во EL со максимум на емисија што се јавува под голем агол. Ова е дополнително потврдено на сликата. 4b, каде што поларните парцели на овој уред се споредуваат со првата (2-ти).

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците.

Епилог

Така, сите горенаведени набљудувања и мерења го потврдуваат присуството на поларитонска електролуминисценција во хетероструктура vdW вградена во оптичка микрошуплина. Архитектурата на тунелот на уредот што се проучува обезбедува воведување на електрони/дупки и рекомбинација во монослојот WS2, кој служи како емитер на светлина. Важно е механизмот на тунелот на уредот да не бара легирање на компонентите, со што се минимизираат загубите и различните промени поврзани со температурата.

Утврдено е дека EL има висока насоченост поради дисперзијата на резонаторот. Затоа, подобрувањето на факторот за квалитет на резонаторот и поголемото снабдување со струја ќе ја подобри ефикасноста на LED диодите со микрошуплина, како и електрично контролираните поларитони на микрошуплина и фотонски ласери.

Оваа работа уште еднаш потврди дека дихалкогенидите на преодните метали имаат навистина уникатни својства и многу широк опсег на апликации.

Ваквите истражувања и иновативни пронајдоци можат многу да влијаат на развојот и ширењето на технологиите за пренос на податоци преку LED диоди и самата светлина. Ваквите футуристички технологии вклучуваат Li-Fi, кој може да обезбеди значително поголеми брзини од моментално достапните Wi-Fi.

Ви благодариме за вниманието, останете љубопитни и имајте одлична недела на сите! 🙂

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 јадра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps од 20 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com