Li-Fi को भविष्य: Polaritons, Excitons, Photons, and some Tungsten Disulphide

धेरै वर्षदेखि, विश्वभरका वैज्ञानिकहरूले दुईवटा काम गर्दै आएका छन् - आविष्कार र सुधार। र कहिलेकाहीँ यो स्पष्ट छैन कि कुन बढी गाह्रो छ। उदाहरणका लागि, साधारण एलईडीहरू लिनुहोस्, जुन हामीलाई यति सरल र साधारण देखिन्छ कि हामीले तिनीहरूलाई ध्यान दिँदैनौं। तर यदि तपाईंले स्वादको लागि केहि एक्सिटोनहरू, एक चुटकी पोलारिटोन्स र टंगस्टन डाइसल्फाइड थप्नुभयो भने, एलईडीहरू अब उतिप्रोसाइक हुनेछैनन्। यी सबै अमूर्त सर्तहरू अत्यन्त असामान्य कम्पोनेन्टहरूका नामहरू हुन्, जसको संयोजनले न्यूयोर्कको सिटी कलेजका वैज्ञानिकहरूलाई प्रकाशको प्रयोग गरेर अत्यन्तै छिटो सूचना प्रसारण गर्न सक्षम नयाँ प्रणाली सिर्जना गर्न अनुमति दियो। यो विकासले Li-Fi प्रविधि सुधार गर्न मद्दत गर्नेछ। नयाँ टेक्नोलोजीको कुन सही सामग्रीहरू प्रयोग गरिएको थियो, यो "पकवान" को लागि नुस्खा के हो र नयाँ exciton-polariton LED को सञ्चालन दक्षता के हो? वैज्ञानिकहरूको रिपोर्टले हामीलाई यस बारे बताउनेछ। जानुहोस्।

अनुसन्धानको आधार

यदि हामीले सबै कुरालाई एक शब्दमा सरल बनायौं भने, यो प्रविधि हल्का र यससँग जोडिएको सबै कुरा हो। सर्वप्रथम, पोलारिटोनहरू, जुन फोटानहरूले माध्यमको उत्तेजनाहरूसँग अन्तरक्रिया गर्दा उत्पन्न हुन्छ (फोनोन, एक्सिटोन, प्लाज्मन, म्याग्नन, आदि)। दोस्रो, एक्सिटोनहरू एक डाइलेक्ट्रिक, अर्धचालक वा धातुमा इलेक्ट्रोनिक उत्तेजनाहरू हुन् जुन क्रिस्टलमा माइग्रेट हुन्छ र विद्युतीय चार्ज र द्रव्यमानको स्थानान्तरणसँग सम्बन्धित हुँदैन।

यो नोट गर्न महत्त्वपूर्ण छ कि यी अर्धकणहरूले चिसोलाई धेरै माया गर्छ, अर्थात्। तिनीहरूको गतिविधि केवल अत्यन्त कम तापमानमा अवलोकन गर्न सकिन्छ, जसले तिनीहरूको व्यावहारिक अनुप्रयोगलाई धेरै सीमित गर्दछ। तर त्यो पहिले थियो। यस काममा, वैज्ञानिकहरूले तापमान सीमालाई पार गर्न र कोठाको तापक्रममा प्रयोग गर्न सक्षम भए।

पोलारिटोन्सको मुख्य विशेषता फोटानहरूलाई एकअर्कासँग बाँध्ने क्षमता हो। रुबिडियम परमाणुहरूसँग टक्कर भएका फोटन्सहरूले द्रव्यमान प्राप्त गर्छन्। दोहोरिएको टक्करको प्रक्रियामा, फोटोनहरू एकअर्काबाट उछाल्छन्, तर दुर्लभ अवस्थामा तिनीहरूले जोडी र तीनवटा बनाउँछन्, जबकि रुबिडियम एटमले प्रतिनिधित्व गर्ने आणविक घटक गुमाउँछन्।

तर प्रकाश संग केहि गर्न को लागी, तपाइँ यसलाई समात्न आवश्यक छ। यसको लागि, एक अप्टिकल रेजोनेटर आवश्यक छ, जुन परावर्तित तत्वहरूको सेट हो जसले स्थायी प्रकाश तरंग बनाउँछ।

यस अध्ययनमा, सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण भूमिका अझ बढी असामान्य क्वासीपार्टिकल्सले खेलेको छ - एक्साइटन-पोलारिटोन्स, जुन अप्टिकल गुहामा फसेका एक्सिटोन र फोटनको बलियो युग्मनको कारण बनाइन्छ।

यद्यपि, यो पर्याप्त छैन, किनभने एक भौतिक आधार आवश्यक छ, त्यसैले बोल्न। र ट्रान्जिसन मेटल डिशाल्कोजेनाइड (TMD) भन्दा राम्रो कसले यो भूमिका खेल्नेछ? अझ स्पष्ट रूपमा, एक WS2 (टंगस्टन डाइसल्फाइड) मोनोलेयर उत्सर्जन गर्ने सामग्रीको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो, जसमा प्रभावशाली एक्सिटोन बाध्यकारी ऊर्जाहरू छन्, जुन सामग्री आधार छनोटको लागि मुख्य मापदण्डहरू मध्ये एक बन्यो।

माथि वर्णन गरिएका सबै तत्वहरूको संयोजनले कोठाको तापक्रममा सञ्चालन हुने विद्युतीय रूपमा नियन्त्रित पोलारिटन ​​एलईडी सिर्जना गर्न सम्भव बनायो।

यस यन्त्रलाई महसुस गर्न, WS2 को एक मोनोलेयर पातलो हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड (hBN) सुरुङ अवरोधहरू बीच स्यान्डविच गरिएको छ जसमा ग्राफिन तहहरूले इलेक्ट्रोडको रूपमा काम गर्दछ।

अनुसन्धान परिणामहरू

WS2, एक ट्रान्जिसन मेटल डिचाल्कोजेनाइड भएकोले, यो पनि एक आणविक रूपमा पातलो भ्यान डर वाल्स (vdW) सामग्री हो। यसले यसको अद्वितीय विद्युतीय, अप्टिकल, मेकानिकल र थर्मल गुणहरूलाई बोल्छ।

अन्य vdW सामग्रीहरू, जस्तै ग्राफिन (एक कन्डक्टरको रूपमा) र हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड (hBN, इन्सुलेटरको रूपमा) सँग संयोजनमा, LEDs समावेश गर्ने विद्युतीय रूपमा नियन्त्रित अर्धचालक यन्त्रहरूको सम्पूर्ण होस्टलाई साकार गर्न सकिन्छ। भ्यान डर वाल्स सामग्री र पोलारिटोन्सको समान संयोजनहरू पहिले नै महसुस गरिसकेका छन्, अनुसन्धानकर्ताहरूले खुला रूपमा भनेका छन्। यद्यपि, अघिल्लो कार्यहरूमा, नतिजा प्रणालीहरू जटिल र अपूर्ण थिए, र प्रत्येक घटकको पूर्ण क्षमता प्रकट गर्दैनन्।

पूर्ववर्तीहरूबाट प्रेरित भएको एउटा विचार दुई-आयामी सामग्री प्लेटफर्मको प्रयोग थियो। यस अवस्थामा, आणविक रूपमा पातलो उत्सर्जन तहहरू भएका उपकरणहरू महसुस गर्न सम्भव छ, जुन अन्य vdW सामग्रीहरू सम्पर्क (ग्राफीन) र टनेल बाधाहरू (hBN) को रूपमा काम गर्नेसँग एकीकृत गर्न सकिन्छ। थप रूपमा, यस्तो द्वि-आयामिकताले पोलरिटन LEDs लाई vdW सामग्रीहरूसँग संयोजन गर्न सम्भव बनाउँछ जुन असामान्य चुम्बकीय गुणहरू, बलियो सुपरकन्डक्टिविटी र/वा गैर-मानक टोपोलोजिकल स्थानान्तरणहरू छन्। यस्तो संयोजनको परिणामको रूपमा, पूर्ण रूपमा नयाँ प्रकारको उपकरण प्राप्त गर्न सकिन्छ, जसको गुणहरू धेरै असामान्य हुन सक्छन्। तर, वैज्ञानिकहरू भन्छन्, यो अर्को अध्ययनको लागि विषय हो।

छवि #1

छवि मा 1 लेयर केक जस्तो देखिने यन्त्रको त्रि-आयामी मोडेल देखाउँछ। अप्टिकल रेजोनेटरको माथिल्लो ऐना चाँदीको तह हो, र तल्लो ऐना 12-तह वितरित हुन्छ। ब्राग रिफ्लेक्टर*। सक्रिय क्षेत्रले सुरुङ क्षेत्र समावेश गर्दछ।

वितरित ब्राग रिफ्लेक्टर* - धेरै तहहरूको संरचना जसमा सामग्रीको अपवर्तक अनुक्रमणिका आवधिक रूपमा तहहरूमा लम्ब परिवर्तन हुन्छ।

टनेल जोनमा WS2 मोनोलेयर (लाइट इमिटर), मोनोलेयरको दुबै छेउमा hBN को पातलो तहहरू (टनेल बाधा) र ग्राफिन (इलेक्ट्रोन र प्वालहरू परिचय गर्नको लागि पारदर्शी इलेक्ट्रोडहरू) सम्मिलित एक vdW heterostructure समावेश हुन्छ।

ओसिलेटरको समग्र शक्ति बढाउन WS2 को थप दुई तहहरू थपियो र यसैले पोलारिटोन राज्यहरूको अधिक स्पष्ट रबी विभाजन उत्पादन गर्न।

रेजोनेटरको अपरेटिङ मोड PMMA तह (पोलिमेथाइल मेथाक्रिलेट, अर्थात् plexiglass) को मोटाई परिवर्तन गरेर समायोजित हुन्छ।

छवि छवि 1b यो वितरित ब्राग रिफ्लेक्टरको सतहमा vdW heterostructure को स्न्यापसट हो। वितरित ब्राग रिफ्लेक्टरको उच्च परावर्तकताको कारण, जुन तल्लो तह हो, छविमा रहेको सुरुङ क्षेत्रको प्रतिबिम्बको धेरै कम कन्ट्रास्ट हुन्छ, जसको परिणामस्वरूप माथिल्लो बाक्लो hBN तह मात्र अवलोकन गरिन्छ।

ग्राफ 1.०с विस्थापन अन्तर्गत टनेल ज्यामितिमा heterostructure को vdW क्षेत्र रेखाचित्र हो। Electroluminescence (EL) थ्रेसहोल्ड भोल्टेज भन्दा माथि अवलोकन गरिन्छ जब शीर्ष (तल) ग्राफिनको फर्मी स्तर WS2 को कन्डक्शन (भ्यालेन्स) ब्यान्ड माथि (तल) सारिएको हुन्छ, जसले इलेक्ट्रोन (प्वाल) लाई कन्डक्शन (भ्यालेन्स) मा टनेल गर्न अनुमति दिन्छ। WS2 को ब्यान्ड। यसले पछिको विकिरण (रेडिएटिभ) इलेक्ट्रोन-होल पुन: संयोजनको साथ WS2 तहमा एक्सिटोनहरूको गठनको लागि अनुकूल अवस्थाहरू सिर्जना गर्दछ।

pn जंक्शन लाइट इमिटरहरू जस्तो नभई, जसलाई सञ्चालन गर्न डोपिङ चाहिन्छ, टनेल उपकरणहरूबाट EL केवल टनेल करन्टमा निर्भर हुन्छ, अप्टिकल हानि र तापमान परिवर्तनको कारणले प्रतिरोधात्मकतामा हुने कुनै पनि परिवर्तनबाट बच्न। एकै समयमा, सुरुङको वास्तुकलाले pn जंक्शनहरूमा आधारित dichalcogenide उपकरणहरूको तुलनामा धेरै ठूलो उत्सर्जन क्षेत्रको लागि अनुमति दिन्छ।

छवि छवि 1d टनेलिङ वर्तमान घनत्वको विद्युतीय विशेषताहरू देखाउँछ (J) पूर्वाग्रह भोल्टेजको कार्यको रूपमा (V) ग्राफिन इलेक्ट्रोड बीच। दुबै सकारात्मक र नकारात्मक भोल्टेजहरूको लागि वर्तमानमा तीव्र वृद्धिले संरचना मार्फत टनेलिंग करन्टको घटनालाई संकेत गर्दछ। hBN तहहरू (~2 nm) को इष्टतम मोटाईमा, महत्त्वपूर्ण टनेलिङ वर्तमान र विकिरणीय पुन: संयोजनको लागि एम्बेडेड क्यारियरहरूको जीवनकालमा वृद्धि अवलोकन गरिन्छ।

इलेक्ट्रोल्युमिनेसेन्स प्रयोग सञ्चालन गर्नु अघि, यन्त्रलाई बलियो एक्सिटोनिक युग्मनको उपस्थिति पुष्टि गर्न कोण-समाधान गरिएको सेतो प्रकाश प्रतिबिम्ब द्वारा विशेषता गरिएको थियो।

छवि #2

छवि मा 2 यन्त्रको सक्रिय क्षेत्रबाट कोण-समाधान गरिएको प्रतिबिम्ब स्पेक्ट्रा देखाइन्छ, एन्टि-क्रसिङ व्यवहार प्रदर्शन गर्दै। फोटोलुमिनेसेन्स (PL) पनि गैर-रेजोनन्ट उत्तेजना (460 nm) अन्तर्गत अवलोकन गरिएको थियो, तल्लो पोलारिटन ​​शाखाबाट तीव्र उत्सर्जन र माथिल्लो पोलारिटन ​​शाखाबाट कमजोर उत्सर्जन (2b).

मा 2.०с 0.1 μA/μm2 को इंजेक्शन दरमा पोलारिटन ​​इलेक्ट्रोल्युमिनेसन्सको फैलावट देखाउँछ। EL प्रयोगमा ओसिलेटर मोडहरू (ठोस र ड्यास गरिएको सेतो रेखा) फिट गरेर प्राप्त गरिएको रबी विभाजन र गुफाहरू क्रमशः ～33 meV र ～-13 meV छन्। cavity detuning लाई δ = Ec − Ex को रूपमा परिभाषित गरिएको छ, जहाँ Ex एक्सिटोन ऊर्जा हो र Ec ले इन-प्लेन शून्य-मोमेन्टम गुहा फोटान ऊर्जालाई जनाउँछ। तालिका 2d यो इलेक्ट्रोल्युमिनेसेन्ट फैलावटबाट विभिन्न कोणहरूमा काटिएको छ। यहाँ, एक्साइटन अनुनाद क्षेत्रमा हुने एन्टिक्रसिङको साथ माथिल्लो र तल्लो पोलारिटन ​​मोडहरूको फैलावट स्पष्ट रूपमा देखिन्छ।

छवि #3

टनेलिङ वर्तमान बढ्दै जाँदा, समग्र EL तीव्रता बढ्छ। पोलारिटोन्सबाट कमजोर EL थ्रेसहोल्ड शिफ्ट (3), जबकि थ्रेसहोल्ड माथि पर्याप्त ठूलो विस्थापन मा, पोलारिटन ​​उत्सर्जन फरक हुन्छ (3b).

छवि मा 3.०с कोणको प्रकार्यको रूपमा EL तीव्रताको ध्रुवीय प्लट देखाउँछ, ±15° को एक संकीर्ण उत्सर्जन कोन चित्रण गर्दछ। न्यूनतम (हरियो वक्र) र अधिकतम (सुन्तला वक्र) उत्तेजना प्रवाहको लागि विकिरण ढाँचा लगभग अपरिवर्तित रहन्छ। अन 3d विभिन्न गतिशील टनेल धाराहरूको लागि एकीकृत तीव्रता देखाउँदछ, जुन ग्राफबाट देख्न सकिन्छ, एकदम रेखीय छ। तसर्थ, वर्तमानलाई उच्च मानहरूमा बढाउँदा तल्लो शाखामा पोलारिटोनहरूको सफल बिखर्ने र पोलारिटोन उत्पादनको कारणले अत्यन्तै साँघुरो उत्सर्जन ढाँचा सिर्जना गर्न सक्छ। यद्यपि, यो प्रयोगमा एचबीएन टनेल ब्यारियरको डाइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउनसँग सम्बन्धित सीमितताका कारण यो प्राप्त गर्न सम्भव थिएन।

रातो थोप्लाहरू 3d अर्को सूचकको मापन देखाउनुहोस् - बाह्य क्वान्टम दक्षता*.

क्वान्टम दक्षता* - फोटानको संख्याको अनुपात, जसको अवशोषणले क्वासिपार्टिकल्सको गठन गर्यो, अवशोषित फोटोनको कुल संख्यामा।

अवलोकन गरिएको क्वान्टम दक्षता अन्य पोलारिटोन एलईडी (जैविक सामग्री, कार्बन ट्यूब, आदिमा आधारित) मा तुलनात्मक छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि अध्ययन अन्तर्गत उपकरणमा प्रकाश-उत्सर्जक तहको मोटाई मात्र 0.7 एनएम छ, जबकि अन्य उपकरणहरूमा यो मान धेरै उच्च छ। वैज्ञानिकहरूले तथ्यलाई लुकाउँदैनन् कि तिनीहरूको यन्त्रको क्वान्टम दक्षता उच्चतम छैन, तर यसलाई hBN को पातलो तहहरूद्वारा विभाजित टनेल क्षेत्र भित्र ठूलो संख्यामा मोनोलेयरहरू राखेर बढाउन सकिन्छ।

अन्वेषकहरूले अर्को उपकरण बनाएर पोलारिटोन ईएलमा रेजोनेटर डिट्यूनिंगको प्रभावको पनि परीक्षण गरे, तर बलियो डिट्यूनिंग (-43 meV) संग।

छवि #4

छवि मा 4 यस्तो उपकरणको कोणीय रिजोलुसन भएको EL स्पेक्ट्रा ०.२ μA/μm0.2 को वर्तमान घनत्वमा देखाइन्छ। बलियो डिट्युनिङको कारणले गर्दा, यन्त्रले ठूलो कोणमा उत्सर्जन अधिकतमको साथ EL मा स्पष्ट बाधा प्रभाव प्रदर्शन गर्दछ। यो छविमा थप पुष्टि हुन्छ 4b, जहाँ यस यन्त्रको ध्रुवीय ग्राफहरू पहिलोसँग तुलना गरिन्छ (2.०с).

अध्ययन को सूक्ष्मता संग एक अधिक विस्तृत परिचित को लागी, म हेर्न को लागी सिफारिस गर्दछु वैज्ञानिकहरु रिपोर्ट.

Epilogue

यसरी, माथि वर्णन गरिएका सबै अवलोकन र मापनहरूले अप्टिकल माइक्रोकभिटीमा निर्मित vdW heterostructure मा पोलारिटन ​​इलेक्ट्रोल्युमिनेसन्सको उपस्थिति पुष्टि गर्दछ। अध्ययन अन्तर्गत उपकरणको टनेल वास्तुकलाले WS2 मोनोलेयरमा इलेक्ट्रोन/प्वालहरू र पुन: संयोजनको परिचय सुनिश्चित गर्दछ, जसले प्रकाश उत्सर्जकको रूपमा कार्य गर्दछ। यो महत्त्वपूर्ण छ कि यन्त्रको टनेल मेकानिजमलाई कम्पोनेन्टहरू मिश्रित गर्न आवश्यक पर्दैन, जसले हानि र विभिन्न तापमान-सम्बन्धित परिवर्तनहरूलाई कम गर्छ।

यो फेला पर्यो कि EL को रेजोनेटर को फैलावट को कारण एक उच्च निर्देशन छ। तसर्थ, गुहा गुणस्तर कारक सुधार गर्न र उच्च वर्तमान डेलिभरीले माइक्रोक्याभिटी LEDs, साथै विद्युतीय रूपमा नियन्त्रित माइक्रोक्याभिटी पोलारिटोन्स र फोटोनिक लेजरहरूको दक्षता सुधार गर्नेछ।

यो कामले फेरि पुष्टि गर्‍यो कि ट्रान्जिसन मेटल डिशाल्कोजेनाइडहरू साँच्चै अनौठो गुणहरू र अनुप्रयोगहरूको धेरै विस्तृत दायरा छन्।

त्यस्ता अनुसन्धान र नवीन आविष्कारहरूले LEDs र प्रकाश आफैं प्रयोग गरेर डाटा ट्रान्समिशन टेक्नोलोजीहरूको विकास र प्रसारलाई ठूलो प्रभाव पार्न सक्छ। त्यस्ता भविष्यवादी प्रविधिहरूमा Li-Fi समावेश छ, जसले हाल उपलब्ध Wi-Fi भन्दा धेरै उच्च गति प्रदान गर्न सक्छ।

तपाइँको ध्यान को लागी धन्यवाद, जिज्ञासु रहनुहोस् र सबैको एक राम्रो हप्ता हो! 🙂

हामीसँग रहनु भएकोमा धन्यवाद। के तपाईलाई हाम्रा लेखहरू मनपर्छ? थप रोचक सामग्री हेर्न चाहनुहुन्छ? हामीलाई अर्डर गरेर वा साथीहरूलाई सिफारिस गरेर समर्थन गर्नुहोस्, Habr प्रयोगकर्ताहरूको लागि 30% छुट प्रविष्टि-स्तर सर्भरहरूको एक अद्वितीय एनालगमा, जुन तपाईंको लागि हामीद्वारा आविष्कार गरिएको थियो: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 कोर) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $ 20 बाट वा कसरी सर्भर साझा गर्ने बारे सम्पूर्ण सत्य? (RAID1 र RAID10 सँग उपलब्ध, 24 कोर सम्म र 40GB DDR4 सम्म)।

डेल R730xd 2 गुणा सस्तो? यहाँ मात्र 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV $199 बाट नेदरल्याण्ड मा! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 बाट! बारे पढ्नुहोस् पूर्वाधार कर्पोरेशन कसरी निर्माण गर्ने। डेल R730xd E5-2650 v4 सर्भरहरूको प्रयोगको साथ एक पैसाको लागि 9000 यूरो मूल्यको वर्ग?

स्रोत: www.habr.com