Že vrsto let znanstveniki z vsega sveta počnejo dvoje – izumljajo in izboljšujejo. In včasih ni jasno, kaj je težje. Vzemimo za primer navadne LED diode, ki se nam zdijo tako enostavne in običajne, da nanje sploh nismo pozorni. Če pa dodate nekaj ekscitonov, ščepec polaritonov in volframov disulfid po okusu, LED ne bodo več tako prozaične. Vsi ti nerazumljivi izrazi so imena skrajno nenavadnih komponent, katerih kombinacija je znanstvenikom z City College of New York omogočila ustvariti nov sistem, ki je sposoben izjemno hitro prenašati informacije s pomočjo svetlobe. Ta razvoj bo pomagal izboljšati tehnologijo Li-Fi. Katere točno sestavine nove tehnologije so bile uporabljene, kakšen je recept za to »jed« in kakšna je učinkovitost delovanja nove eksciton-polaritonske LED? O tem nam bo povedalo poročilo znanstvenikov. pojdi
Raziskovalna osnova
Če poenostavimo vse na eno besedo, potem je ta tehnologija lahka in vse, kar je povezano z njo. Prvič, polaritoni, ki nastanejo pri interakciji fotonov z vzbujanjem medija (fononi, ekscitoni, plazmoni, magnoni itd.). Drugič, ekscitoni so elektronska vzbujanja v dielektriku, polprevodniku ali kovini, ki migrirajo po kristalu in niso povezana s prenosom električnega naboja in mase.
Pomembno je omeniti, da ti kvazidelci zelo ljubijo mraz, tj. Njihovo delovanje je mogoče opazovati le pri izjemno nizkih temperaturah, kar močno omejuje njihovo praktično uporabo. Ampak to je bilo prej. Pri tem delu je znanstvenikom uspelo preseči temperaturno omejitev in jih uporabljati pri sobnih temperaturah.
Glavna značilnost polaritonov je sposobnost medsebojnega vezanja fotonov. Fotoni ob trku z atomi rubidija pridobijo maso. V procesu ponavljajočih se trkov se fotoni odbijajo drug od drugega, vendar v redkih primerih tvorijo pare in trojčke, pri tem pa izgubijo atomsko komponento, ki jo predstavlja atom rubidija.
A če želite nekaj narediti s svetlobo, jo morate ujeti. Za to je potreben optični resonator, ki je niz odsevnih elementov, ki tvorijo stoječe svetlobno valovanje.
V tej študiji imajo najpomembnejšo vlogo še bolj nenavadni kvazidelci - eksciton-polaritoni, ki nastanejo zaradi močne sklopitve ekscitonov in fotonov, ujetih v optično votlino.
Vendar to ni dovolj, saj je potrebna tako rekoč materialna osnova. In kdo bo bolje kot dihalkogenid prehodne kovine (TMD) odigral to vlogo? Natančneje, kot oddajni material je bil uporabljen monosloj WS2 (volframov disulfid), ki ima impresivne energije vezave ekscitonov, kar je postalo eno glavnih meril za izbiro materialne osnove.
Kombinacija vseh zgoraj opisanih elementov je omogočila ustvarjanje električno krmiljene polaritonske LED, ki deluje pri sobni temperaturi.
Za uresničitev te naprave je enoplast WS2 stisnjena med tanke heksagonalne tunelske pregrade iz borovega nitrida (hBN) s plastmi grafena, ki delujejo kot elektrode.
Rezultati raziskav
WS2, ki je dihalkogenid prehodne kovine, je tudi atomsko tanek van der Waalsov (vdW) material. To govori o njegovih edinstvenih električnih, optičnih, mehanskih in toplotnih lastnostih.
V kombinaciji z drugimi materiali vdW, kot sta grafen (kot prevodnik) in heksagonalni borov nitrid (hBN, kot izolator), je mogoče realizirati celo vrsto električno krmiljenih polprevodniških naprav, kamor sodijo tudi LED diode. Podobne kombinacije van der Waalsovih materialov in polaritonov so bile realizirane že prej, kot odkrito trdijo raziskovalci. Vendar so bili v prejšnjih delih nastali sistemi zapleteni in nepopolni ter niso razkrili celotnega potenciala vsake komponente.
Ena od idej, ki so jo navdihnili predhodniki, je bila uporaba dvodimenzionalne materialne platforme. V tem primeru je mogoče realizirati naprave z atomsko tankimi emisijskimi plastmi, ki jih je mogoče integrirati z drugimi materiali vdW, ki delujejo kot kontakti (grafen) in tunelske pregrade (hBN). Poleg tega takšna dvodimenzionalnost omogoča kombiniranje polaritonskih LED z materiali vdW, ki imajo nenavadne magnetne lastnosti, močno superprevodnost in/ali nestandardne topološke prenose. Kot rezultat takšne kombinacije je mogoče dobiti popolnoma nov tip naprave, katere lastnosti so lahko precej nenavadne. Toda, kot pravijo znanstveniki, je to tema za drugo študijo.
Slika #1
Na sliki 1 prikazuje tridimenzionalni model naprave, ki spominja na plast torte. Zgornje zrcalo optičnega resonatorja je plast srebra, spodnje zrcalo pa je 12-slojno porazdeljeno Bragg reflektor*. Aktivno območje vsebuje območje tunela.
Porazdeljeni Braggov reflektor* - struktura več plasti, v kateri se lomni količnik materiala periodično spreminja pravokotno na plasti.
Tunelsko cono sestavlja vdW heterostruktura, ki jo sestavljajo monosloj WS2 (oddajnik svetlobe), tanke plasti hBN na obeh straneh monosloja (tunelska pregrada) in grafen (prozorne elektrode za vnašanje elektronov in lukenj).
Dodani sta bili še dve plasti WS2, da se poveča skupna moč oscilatorja in s tem povzroči izrazitejša Rabijeva delitev polaritonskih stanj.
Način delovanja resonatorja prilagajamo s spreminjanjem debeline sloja PMMA (polimetil metakrilat, t.i. pleksi steklo).
Изображение 1b To je posnetek heterostrukture vdW na površini porazdeljenega Braggovega reflektorja. Zaradi visoke odbojnosti porazdeljenega Braggovega reflektorja, ki je spodnja plast, ima območje tunela na sliki zelo nizek odbojni kontrast, zaradi česar je opazovana samo zgornja debela plast hBN.
Urnik 1s predstavlja conski diagram vdW heterostrukture v geometriji tunela pod premikom. Elektroluminiscenco (EL) opazimo nad mejno napetostjo, ko se Fermijev nivo zgornjega (spodnjega) grafena premakne nad (pod) prevodni (valentni) pas WS2, kar omogoči elektronu (luknji) tunel v prevodnost (valenca) pas WS2. To ustvarja ugodne pogoje za nastanek ekscitonov v plasti WS2 z naknadno sevalno (sevalno) rekombinacijo elektronov in lukenj.
Za razliko od oddajnikov svetlobe s pn spoji, ki za delovanje potrebujejo doping, je EL iz tunelskih naprav odvisen izključno od tunelskega toka, pri čemer se izogibajo optičnim izgubam in kakršnim koli spremembam upornosti, ki jih povzročajo temperaturne spremembe. Hkrati pa arhitektura tunela omogoča veliko večjo emisijsko regijo v primerjavi z dihalkogenidnimi napravami, ki temeljijo na pn spojih.
Изображение 1d prikazuje električne značilnosti gostote tunelskega toka (J) kot funkcija prednapetosti (V) med grafenskimi elektrodami. Močno povečanje toka za pozitivne in negativne napetosti kaže na pojav tunelskega toka skozi strukturo. Pri optimalni debelini plasti hBN (~2 nm) opazimo pomemben tunelski tok in podaljšanje življenjske dobe vgrajenih nosilcev za sevalno rekombinacijo.
Pred izvedbo eksperimenta z elektroluminiscenco je bila naprava označena z odbojnostjo bele svetlobe z ločenim kotom, da se potrdi prisotnost močne ekscitonske sklopitve.
Slika #2
Na sliki 2 Prikazani so kotno ločeni odbojni spektri iz aktivnega območja naprave, ki prikazujejo obnašanje proti križanju. Fotoluminiscenco (PL) so opazili tudi pri neresonančnem vzbujanju (460 nm), ki kaže intenzivno emisijo iz spodnje polaritonske veje in šibkejšo emisijo iz zgornje polaritonske veje (2b).
Na 2s prikazuje disperzijo elektroluminiscence polaritona pri hitrosti vbrizgavanja 0.1 μA/μm2. Rabijeva cepitev in uglasitev votline, dobljena s prilagajanjem načinov oscilatorja (polna in črtkana bela črta) eksperimentu EL, sta ～33 meV oziroma ～-13 meV. Razglasitev votline je definirana kot δ = Ec − Ex, kjer je Ex energija ekscitona in Ec označuje energijo fotona votline brez impulza v ravnini. Urnik 2d To je rez pod različnimi koti od elektroluminiscenčne disperzije. Tukaj je jasno vidna disperzija zgornjega in spodnjega polaritonskega načina z antikrižanjem, ki se pojavlja v ekscitonskem resonančnem območju.
Slika #3
Ko se tunelski tok poveča, se skupna intenzivnost EL poveča. Šibek EL iz polaritonov opazimo blizu premika praga (3), medtem ko pri dovolj velikem premiku nad pragom postane emisija polaritona izrazita (3b).
Na sliki 3s prikazuje polarni graf intenzitete EL kot funkcije kota, ki prikazuje ozek emisijski stožec ±15°. Vzorec sevanja ostane skoraj nespremenjen tako za najmanjši (zelena krivulja) kot za največji (oranžna krivulja) vzbujevalni tok. Vklopljeno 3d prikazuje integrirano intenziteto za različne premikajoče se tunelske tokove, ki je, kot je razvidno iz grafa, precej linearna. Zato lahko povečanje toka na visoke vrednosti vodi do uspešnega razprševanja polaritonov vzdolž spodnje veje in ustvari izjemno ozek emisijski vzorec zaradi generiranja polaritona. Vendar v tem poskusu tega ni bilo mogoče doseči zaradi omejitve, povezane z dielektričnim razpadom tunelske pregrade hBN.
Rdeče pike na 3d kažejo meritve drugega indikatorja - zunanjega kvantna učinkovitost*.
Kvantna učinkovitost* — razmerje med številom fotonov, katerih absorpcija je povzročila nastanek kvazidelcev, in skupnim številom absorbiranih fotonov.
Opaženi kvantni izkoristek je primerljiv s tistim pri drugih polaritonskih LED (na osnovi organskih materialov, ogljikovih cevi itd.). Omeniti velja, da je v preučevani napravi debelina svetleče plasti le 0.7 nm, medtem ko je v drugih napravah ta vrednost veliko višja. Znanstveniki ne skrivajo dejstva, da kvantna učinkovitost njihove naprave ni najvišja, vendar jo je mogoče povečati z namestitvijo večjega števila monoslojev znotraj cone tunela, ločenih s tankimi plastmi hBN.
Raziskovalci so tudi preizkusili učinek razglasitve resonatorja na polaritonski EL z izdelavo druge naprave, vendar z močnejšo razglasitvijo (-43 meV).
Slika #4
Na sliki 4 EL spektri s kotno ločljivostjo takšne naprave so prikazani pri gostoti toka 0.2 μA/μm2. Zaradi močne razglasitve ima naprava izrazit učinek ozkega grla v EL, pri čemer se maksimum emisij pojavi pod velikim kotom. To dodatno potrjuje slika 4b, kjer so polarni grafi te naprave primerjani s prvim (2s).
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled .
Epilog
Tako vsa zgoraj opisana opazovanja in meritve potrjujejo prisotnost elektroluminiscence polaritona v heterostrukturi vdW, vgrajeni v optično mikrovotlino. Tunelska arhitektura preučevane naprave zagotavlja vnos elektronov/lukenj in rekombinacijo v monosloj WS2, ki služi kot oddajnik svetlobe. Pomembno je, da tunelski mehanizem naprave ne zahteva legiranja komponent, kar zmanjšuje izgube in razne temperaturne spremembe.
Ugotovljeno je bilo, da ima EL visoko usmerjenost zaradi razpršenosti resonatorja. Zato bo izboljšanje faktorja kakovosti votline in večji tokovni tok izboljšalo učinkovitost LED diod z mikro votlino, kot tudi električno nadzorovanih polaritonov z mikro votlino in fotonskih laserjev.
To delo je še enkrat potrdilo, da imajo dihalkogenidi prehodnih kovin resnično edinstvene lastnosti in zelo širok spekter uporabe.
Takšne raziskave in inovativni izumi lahko močno vplivajo na razvoj in širjenje tehnologij prenosa podatkov z uporabo LED diod in same svetlobe. Takšne futuristične tehnologije vključujejo Li-Fi, ki lahko zagotovi bistveno višje hitrosti kot trenutno razpoložljivi Wi-Fi.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com