Selama bertahun-tahun, saintis dari seluruh dunia telah melakukan dua perkara - mencipta dan menambah baik. Dan kadangkala tidak jelas yang mana lebih sukar. Ambil, sebagai contoh, LED biasa, yang kelihatan sangat mudah dan biasa kepada kami sehingga kami tidak memberi perhatian kepadanya. Tetapi jika anda menambah beberapa excitons, secubit polariton dan tungsten disulfida secukup rasa, LED tidak lagi menjadi begitu prosaik. Semua istilah yang tidak masuk akal ini adalah nama komponen yang sangat luar biasa, gabungan yang membolehkan saintis dari City College of New York mencipta sistem baharu yang mampu menghantar maklumat dengan sangat cepat menggunakan cahaya. Perkembangan ini akan membantu meningkatkan teknologi Li-Fi. Apakah bahan-bahan tepat teknologi baru yang digunakan, apakah resipi untuk "hidangan" ini dan apakah kecekapan operasi LED exciton-polarton baharu? Laporan saintis akan memberitahu kita tentang perkara ini. Pergi.
Asas penyelidikan
Jika kita memudahkan segala-galanya kepada satu perkataan, maka teknologi ini ringan dan segala-galanya berkaitan dengannya. Pertama, polariton, yang timbul apabila foton berinteraksi dengan pengujaan medium (phonon, excitons, plasmon, magnon, dll.). Kedua, pengujaan ialah pengujaan elektronik dalam dielektrik, semikonduktor atau logam yang berhijrah ke seluruh kristal dan tidak dikaitkan dengan pemindahan cas dan jisim elektrik.
Adalah penting untuk diperhatikan bahawa kuasipartikel ini sangat menyukai sejuk, i.e. Aktiviti mereka hanya boleh diperhatikan pada suhu yang sangat rendah, yang sangat mengehadkan penggunaan praktikal mereka. Tetapi itu sebelum ini. Dalam kerja ini, saintis dapat mengatasi had suhu dan menggunakannya pada suhu bilik.
Ciri utama polariton ialah keupayaan untuk mengikat foton antara satu sama lain. Foton yang berlanggar dengan atom rubidium memperoleh jisim. Dalam proses perlanggaran berulang, foton melantun antara satu sama lain, tetapi dalam kes yang jarang berlaku, ia membentuk pasangan dan triplet, sambil kehilangan komponen atom yang diwakili oleh atom rubidium.
Tetapi untuk melakukan sesuatu dengan cahaya, anda perlu menangkapnya. Untuk ini, resonator optik diperlukan, yang merupakan satu set elemen reflektif yang membentuk gelombang cahaya berdiri.
Dalam kajian ini, peranan yang paling penting dimainkan oleh kuasipartikel yang lebih luar biasa - kutub-kutub, yang terbentuk akibat gandingan kuat exciton dan foton yang terperangkap dalam rongga optik.
Walau bagaimanapun, ini tidak mencukupi, kerana asas material diperlukan, kononnya. Dan siapa yang lebih baik daripada logam peralihan dichalcogenide (TMD) akan memainkan peranan ini? Lebih tepat lagi, monolayer WS2 (tungsten disulfida) digunakan sebagai bahan pemancar, yang mempunyai tenaga pengikat exciton yang mengagumkan, yang menjadi salah satu kriteria utama untuk memilih asas bahan.
Gabungan semua elemen yang diterangkan di atas memungkinkan untuk mencipta LED polariton dikawal secara elektrik yang beroperasi pada suhu bilik.
Untuk merealisasikan peranti ini, satu lapisan tunggal WS2 diapit di antara halangan terowong boron nitrida (hBN) heksagon nipis dengan lapisan graphene bertindak sebagai elektrod.
Hasil penyelidikan
WS2, sebagai logam peralihan dichalcogenide, juga merupakan bahan van der Waals (vdW) nipis secara atom. Ini merujuk kepada sifat elektrik, optik, mekanikal dan habanya yang unik.
Dalam kombinasi dengan bahan vdW lain, seperti graphene (sebagai konduktor) dan boron nitrida heksagon (hBN, sebagai penebat), pelbagai peranti semikonduktor dikawal elektrik, termasuk LED, boleh direalisasikan. Gabungan serupa bahan van der Waals dan polariton telah pun direalisasikan sebelum ini, seperti yang dinyatakan secara terbuka oleh penyelidik. Walau bagaimanapun, dalam kerja-kerja terdahulu, sistem yang terhasil adalah kompleks dan tidak sempurna, dan tidak mendedahkan potensi penuh setiap komponen.
Salah satu idea yang diilhamkan oleh pendahulu ialah penggunaan platform bahan dua dimensi. Dalam kes ini, adalah mungkin untuk merealisasikan peranti dengan lapisan pancaran nipis atom, yang boleh disepadukan dengan bahan vdW lain yang bertindak sebagai kenalan (graphene) dan halangan terowong (hBN). Di samping itu, dua dimensi sedemikian memungkinkan untuk menggabungkan LED polariton dengan bahan vdW yang mempunyai sifat magnet yang luar biasa, superkonduktiviti yang kuat dan/atau pemindahan topologi bukan standard. Hasil daripada gabungan sedemikian, jenis peranti yang sama sekali baru boleh diperolehi, sifat-sifatnya agak luar biasa. Tetapi, seperti yang dikatakan saintis, ini adalah topik untuk kajian lain.
Imej #1
Dalam imej 1a menunjukkan model tiga dimensi peranti yang menyerupai kek lapis. Cermin atas resonator optik adalah lapisan perak, dan cermin bawah adalah 12 lapisan teragih Reflektor Bragg*. Kawasan aktif mengandungi zon terowong.
Reflektor Bragg yang diedarkan* - struktur beberapa lapisan di mana indeks biasan bahan berubah secara berkala berserenjang dengan lapisan.
Zon terowong terdiri daripada heterostruktur vdW yang terdiri daripada monolayer WS2 (pemancar cahaya), lapisan nipis hBN pada kedua-dua belah monolayer (penghalang terowong) dan graphene (elektrod lutsinar untuk memperkenalkan elektron dan lubang).
Dua lagi lapisan WS2 telah ditambah untuk meningkatkan kekuatan keseluruhan pengayun dan seterusnya menghasilkan pemisahan Rabi yang lebih jelas bagi keadaan polariton.
Mod pengendalian resonator diselaraskan dengan menukar ketebalan lapisan PMMA (polimetil metakrilat, iaitu plexiglass).
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b Ini ialah syot kilat heterostruktur vdW pada permukaan pemantul Bragg yang diedarkan. Disebabkan oleh pemantulan tinggi reflektor Bragg yang diedarkan, iaitu lapisan bawah, zon terowong dalam imej mempunyai kontras pemantulan yang sangat rendah, menyebabkan hanya lapisan hBN tebal atas yang diperhatikan.
Jadual 1c mewakili gambarajah zon vdW bagi heterostruktur dalam geometri terowong di bawah sesaran. Electroluminescence (EL) diperhatikan di atas voltan ambang apabila paras Fermi graphene atas (bawah) dianjak ke atas (bawah) jalur pengaliran (valens) WS2, membenarkan elektron (lubang) terowong ke dalam pengaliran (valens) kumpulan WS2. Ini mewujudkan keadaan yang menggalakkan untuk pembentukan excitons dalam lapisan WS2 dengan penggabungan semula lubang elektron radiasi (radiatif) berikutnya.
Tidak seperti pemancar cahaya simpang pn, yang memerlukan doping untuk beroperasi, EL dari peranti terowong bergantung semata-mata pada arus terowong, mengelakkan kehilangan optik dan sebarang perubahan dalam kerintangan yang disebabkan oleh perubahan suhu. Pada masa yang sama, seni bina terowong membolehkan kawasan pelepasan yang lebih besar berbanding peranti dichalcogenide berdasarkan persimpangan pn.
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1d menunjukkan ciri-ciri elektrik ketumpatan arus terowong (J) sebagai fungsi voltan pincang (V) antara elektrod graphene. Peningkatan mendadak dalam arus untuk kedua-dua voltan positif dan negatif menunjukkan berlakunya arus terowong melalui struktur. Pada ketebalan optimum lapisan hBN (~2 nm), arus terowong yang ketara dan peningkatan dalam jangka hayat pembawa terbenam untuk penggabungan semula sinaran diperhatikan.
Sebelum menjalankan eksperimen electroluminescence, peranti ini dicirikan oleh pemantulan cahaya putih yang diselesaikan sudut untuk mengesahkan kehadiran gandingan eksitonik yang kuat.
Imej #2
Dalam imej 2a Spektrum pemantulan diselesaikan sudut dari kawasan aktif peranti ditunjukkan, menunjukkan tingkah laku anti-lintas. Photoluminescence (PL) juga diperhatikan di bawah pengujaan bukan resonan (460 nm), menunjukkan pelepasan sengit dari cawangan polariton bawah dan pelepasan yang lebih lemah dari cawangan polariton atas (2b).
Pada 2c menunjukkan serakan elektroluminesensi polariton pada kadar suntikan 0.1 ΞΌA/ΞΌm2. Pemisahan Rabi dan detuna rongga yang diperoleh dengan memasang mod pengayun (garis putih pepejal dan putus-putus) pada eksperimen EL ialah ο½33 meV dan ο½-13 meV, masing-masing. Penyahtalakan rongga ditakrifkan sebagai Ξ΄ = Ec β Ex, dengan Ex ialah tenaga pengujaan dan Ec menandakan tenaga foton rongga momentum sifar dalam satah. Jadual 2d Ini adalah potongan pada sudut yang berbeza daripada penyebaran electroluminescent. Di sini, penyebaran mod polariton atas dan bawah dengan anticrossing yang berlaku dalam zon resonans exciton jelas kelihatan.
Imej #3
Apabila arus terowong meningkat, keamatan EL keseluruhan meningkat. EL lemah daripada polariton diperhatikan berhampiran anjakan ambang (3a), manakala pada anjakan yang cukup besar di atas ambang, pelepasan polariton menjadi berbeza (3b).
Dalam imej 3c menunjukkan plot kutub keamatan EL sebagai fungsi sudut, menggambarkan kon pancaran sempit Β±15Β°. Corak sinaran kekal hampir tidak berubah untuk kedua-dua arus pengujaan minimum (lengkung hijau) dan maksimum (lengkung oren). hidup 3d menunjukkan keamatan bersepadu untuk pelbagai arus terowong yang bergerak, yang, seperti yang boleh dilihat daripada graf, adalah agak linear. Oleh itu, meningkatkan arus kepada nilai tinggi boleh membawa kepada penyerakan polarison yang berjaya di sepanjang cawangan bawah dan mewujudkan corak pelepasan yang sangat sempit akibat penjanaan polariton. Walau bagaimanapun, dalam eksperimen ini adalah tidak mungkin untuk mencapai ini kerana had yang berkaitan dengan pecahan dielektrik penghalang terowong hBN.
Titik merah menyala 3d tunjukkan ukuran penunjuk lain - luaran kecekapan kuantum*.
Kecekapan kuantum* β nisbah bilangan foton, penyerapan yang menyebabkan pembentukan kuasipartikel, kepada jumlah bilangan foton yang diserap.
Kecekapan kuantum yang diperhatikan adalah setanding dengan LED polariton lain (berdasarkan bahan organik, tiub karbon, dll.). Perlu diingat bahawa dalam peranti yang dikaji ketebalan lapisan pemancar cahaya hanya 0.7 nm, manakala dalam peranti lain nilai ini jauh lebih tinggi. Para saintis tidak menyembunyikan fakta bahawa kecekapan kuantum peranti mereka bukanlah yang tertinggi, tetapi ia boleh ditingkatkan dengan meletakkan lebih banyak lapisan tunggal di dalam zon terowong, dipisahkan oleh lapisan nipis hBN.
Para penyelidik juga menguji kesan detuning resonator pada polariton EL dengan membuat peranti lain, tetapi dengan detuning yang lebih kuat (-43 meV).
Imej #4
Dalam imej 4a Spektrum EL dengan resolusi sudut peranti sedemikian ditunjukkan pada ketumpatan arus 0.2 ΞΌA/ΞΌm2. Disebabkan oleh detuning yang kuat, peranti mempamerkan kesan kesesakan yang ketara dalam EL dengan pelepasan maksimum berlaku pada sudut yang besar. Ini disahkan lagi dalam imej 4b, di mana graf kutub peranti ini dibandingkan dengan yang pertama (2c).
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat .
Epilog
Oleh itu, semua pemerhatian dan ukuran yang diterangkan di atas mengesahkan kehadiran electroluminescence polariton dalam heterostruktur vdW yang dibina ke dalam rongga mikro optik. Seni bina terowong peranti yang dikaji memastikan pengenalan elektron/lubang dan penggabungan semula dalam monolayer WS2, yang berfungsi sebagai pemancar cahaya. Adalah penting bahawa mekanisme terowong peranti tidak memerlukan pengaloian komponen, yang meminimumkan kerugian dan pelbagai perubahan berkaitan suhu.
Didapati bahawa EL mempunyai kearah yang tinggi disebabkan oleh serakan resonator. Oleh itu, menambah baik faktor kualiti rongga dan penghantaran arus yang lebih tinggi akan meningkatkan kecekapan LED mikro rongga, serta polariton rongga mikro yang dikawal secara elektrik dan laser fotonik.
Kerja ini sekali lagi mengesahkan bahawa dichalcogenides logam peralihan mempunyai sifat yang benar-benar unik dan pelbagai aplikasi yang sangat luas.
Penyelidikan dan ciptaan inovatif sedemikian boleh mempengaruhi perkembangan dan penyebaran teknologi penghantaran data menggunakan LED dan cahaya itu sendiri. Teknologi futuristik sedemikian termasuk Li-Fi, yang boleh memberikan kelajuan yang jauh lebih tinggi daripada Wi-Fi yang tersedia pada masa ini.
Terima kasih atas perhatian anda, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu semua! π
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com