Për shumë vite, shkencëtarët nga e gjithë bota janë angazhuar në dy gjëra — shpikje dhe përmirësime. Ndërsa ndonjëherë është e paqartë se cila është më e vështirë. Merrni, për shembull, diodet e zakonshme të ndriçimit, të cilat na duken kaq të thjeshta dhe të zakonshme, saqë as nuk i kushtojmë vëmendje. Por nëse i shtojmë pak eksitone, një shpinë polaritonesh dhe disulfid wolframi sipas shijes, diodet e ndriçimit nuk do të jenë më kaq prozaike. Të gjitha këto terma të komplikuar përfaqësojnë emra të komponenteve jashtëzakonisht të pazakonta, kombinimi i të cilave i mundësoi shkencëtarëve të Kolegjit të Nju Jorkut të krijonin një sistem të ri, i aftë të transmetojë informacion në mënyrë ekstremisht të shpejtë me anë të dritës. Kjo zhvillim do të ndihmojë në përmirësimin e teknologjisë Li-Fi. Cilat përbërës të rinj u përdorën në këtë teknologji, çfarë është receta e këtij “pjatë” dhe sa është efikasiteti i diodeve të reja eksitone-polaritone? Këtë do na tregojnë shkencëtarët. Le të fillojmë.
Baza e kërkimit
Nëse e thjeshtojmë deri në një fjalë, atëherë kjo teknologji është drita dhe gjithçka që lidhet me të. Së pari, polaritonet, të cilat lindin nga ndërveprimi i fotoneve me eksitimet e mediumit (fononat, eksitonet, plazmonet, magnonet, etj.). Së dyti, eksitonet — një eksitim elektronik në dielektrik, gjysmëpërçues apo metal, që migron nëpër kristal dhe nuk lidhet me transferimin e ngarkesës elektrike dhe masës.
Është e rëndësishme të theksohet se këto kvasipjesa preferojnë ftohtësinë, pra, mund të vërehet aktiviteti i tyre vetëm në temperatura jashtëzakonisht të ulëta, gjë që kufizon shumë aplikimin praktik. Por kjo ishte më parë. Në këtë punim, shkencëtarët arritën të kalojnë kufizimin temperaturor dhe t'i përdorin ato në temperatura ambientale.
Karakteristika kryesore e polaritoneve është mundësia për të lidhur fotonet me njëra-tjetrën. Fotonet, që përplasin me atomët e rubidumit, fitojnë masë. Gjatë përplasjes të shumtë, fotonet refuzojnë njëra-tjetrën, por në raste të rralla formojnë palë dhe tripletë, duke humbur përbërësin atomik, i përfaqësuar nga atomi i rubidumit.
Por të bërë diçka me dritën, është e nevojshme ta kapësh atë. Për këtë nevojitet një rezonator optik, i cili është një grup elementesh reflektuese, që formojnë një valë dritë statike.
Në këtë studim, një rol të rëndësishëm luajnë edhe më të pazakontat kuazipjesë - eksiton-polaritonet, të cilat formohen falë lidhjes së fortë midis excitonëve dhe fotonëve, të kapur në rezonatorin optik.
Megjithatë, kjo nuk është e mjaftueshme, pasi është e nevojshme një bazë materiale, siç thuhet. Dhe kush, nëse jo dikhalkogjenidi i metaleve kalimtare (DPM), do të luante më mirë këtë rol. Nëse jemi më specifikë, si material për emetim është përdorur një monolayer WS2 (disulfidi i wolframit), i cili ka energji lidhëse të konsiderueshme për excitonët, që ishte një nga kriteret kryesore për përzgjedhjen e bazës materiale.
Kombinimi i të gjithë elementeve të përmendura më sipër ka lejuar krijimin e një LED polaritoni të menaxhuar elektrikisht, që punon në temperaturë ambiente.
Për realizimin e këtij dispositivi, monolayer WS2 është vendosur midis barrierave të hollë heksagonale të nitridit të borit (hBN) me shtresa grafeni, që veprojnë si elektrod.
Rezultatet e studimit
WS2, si një dikhalkogjenid i metaleve kalimtare, është gjithashtu një material Van-der-Waals (vdW) me trashësi atomike. Kjo tregon për vetitë e tij unike elektrike, optike, mekanike dhe termike.
Në kombinim me materiale të tjera vdW, si grafeni (si një conductor) dhe nitridi heksagonal i borit (hBN, si izolator), mund të realizohen një sërë dispozitivash gjysmëpërçuesish të menaxhuar elektrikisht, në të cilat përfshihen LED-ët. Këto kombinime të materialeve Van-der-Waals dhe polaritonët janë realizuar më parë, siç e pranojnë hapur studiuesit. Megjithatë, në punimet e mëparshme, sistemet e përftuara ishin të komplikuara dhe të pasakta, si dhe nuk zbulonin të gjithë potencialin e secilës nga përbërësit.
Një nga idetë, që është frymëzuar nga paraardhësit, është përdorimi i një platforme materiale dy-dimensionale. Në këtë rast, është e mundur të realizohen pajisje me shtresa emisioni jashtëzakonisht të holla, të cilat mund të integrohen me materiale të tjera vdW, që veprojnë si kontakte (grafeni) dhe barrierat e tunelimit (hBN). Për më tepër, një dy-dimensionalitet i tillë lejon kombinimin e diodave polaritoni me materialet vdW, të cilat kanë vetitë magnetike të pazakonta, superkondutivitet të fortë dhe/ose transferime topologjike jo-standard. Si rezultat i këtij kombinimi, mund të prodhohet një tip i ri pajisjeje, vetitë e së cilës mund të jenë mjaft të pazakonta. Por, siç thonë shkencëtarët, kjo është një temë për një studim tjetër.
Imazhi Nr. 1
Në imazh 1a tregohet një model three-dimensional të pajisjes, e cila i ngjan një tortë me shtresa. Shtresa e argjendit shërben si pasqyra e sipërme e rezonatorit optik, ndërsa ajo e poshtme — një reflektor i shpërndarë me 12 shtresa reflektori bragg*. Në zonën aktive është e vendosur një zonë tunelimi.
Reflektori i shpërndarë Bragg* është një strukturë me disa shtresa, në të cilën indeksi i thyerjes së materialit ndryshon periodikisht përpendikular ndaj shtresave.
Zona tunelimi përbëhet nga një heterostrukturë vdW e përbërë nga një monoshtresë WS2 (shkaktari i dritës), shtresa të holla hBN në të dy anët e monoshtresës (barrier tunelimi) dhe grafeni (elektrodë transparente për injektimin e elektronëve dhe vrimave).
Janë shtuar edhe dy shtresa WS2 për të rritur forcën totale të gjeneratorit dhe, për rrjedhojë, për një ndarje më të theksuar të gjendjeve polaritoni Rabi.
Rezhimi i funksionimit të rezonatorit rregullohet duke ndryshuar trashësinë e shtresës PMMA (polimetilmetakrilat, pra, plastika organike).
Imazhi 1b është një fotografi e heterostrukturës vdW në sipërfaqen e reflektorit të shpërndarë Bragg. Për shkak të aftësisë së lartë reflektuese të reflektorit të shpërndarë Bragg, i cili është shtresa e poshtme, zona e tunelimit në fotografi ka një kontrast shumë të ulët të reflektimit, si rezultat, vetëm shtresa e sipërme e trashë hBN shikohet.
Grafiku 1c përfaqëson një diagramë vdW të heterostrukturës në gjeometrinë e tunelit me zhvendosje. Elektroluminescenca (EL) vërehet mbi tensionin e pragut, kur niveli i Fermi i grafenit të sipërm (të poshtëm) është zhvendosur mbi (nën) zonën e drejtueshmërisë (valencës) WS2, duke lejuar elektroneve (ndarjes) të tunelojnë në zonën e drejtueshmërisë (valencës) WS2. Kjo krijon kushte të favorshme për formimin e ekzitonëve në shtresën WS2 me rikombinimin radiactiv (të emetuar) të elektron-ndarjes.
Kallëzimi nga emituesit e dritës mbi bazën e kalimeve p-n, të cilët kërkojnë doping për funksionim, EL nga pajisjet tunel, varet përjashtimisht nga rryma tunel, duke shmangur humbjet optike dhe çdo ndryshim në rezistencën specifike të shkaktuar nga ndryshimi i temperaturës. Me të njëjtën kohë, arkitektura tunel lejon një fushë shumë më të madhe emetimi krahasuar me pajisjet e dikhalkogenidit me bazë kalimesh p-n.
Imazhi 1d demonstron karakteristikat elektrike të dendësisë së rrymës tunel (J) si funksion i tensionit të zhvendosjes (V) mes elektrodave të grafenit. Rritja e papritur e rrymës si për tensionin pozitiv ashtu edhe atë negativ tregon për shfaqjen e rrymës tunel përmes strukturës. Në trashësinë optimale të shtresave hBN (~2 nm), vërehet rrymë tunel të konsiderueshme dhe një rritje në kohën e jetesës së mbartësve të inkorporuar për rikombinimin radiactiv.
Para se të kryhej eksperimenti elektroluminescent, u krye karakterizimi i pajisjes për aftësinë reflektuese të dritës së bardhë me saktësi këndore për të konfirmuar praninë e lidhjes së fortë të ekzitonëve.
Imazhi №2
Në imazh 2a shfaqin spektrat e reflektimit me saktësi këndore nga zona aktive e pajisjes, duke demonstruar sjelljen që ndalon kalimin. Gjithashtu, u vërejt fotoluminescenca (FL) gjatë eksitimit jo-rezonant (460 nm), që demonstroi emetim të intensitetit të lartë nga dega e poshtme e polaritoneve dhe më pak emetim nga dega e sipërme e polaritoneve (2b).
Në 2c tregohet disperzioni i elektroluminescencës së polaritonëve në integrimin 0.1 μA/mk². Ndarja Rabi dhe çrregullimi i rezonatorit, të marra përmes përshtatjes së modëve të oscilatorit (vija e bardhë e vazhdueshme dhe e ndërprerë) ndaj eksperimentit elektroluminescent, janë ~33 meV dhe ~-13 meV përkatësisht. Çrregullimi i rezonatorit përcaktohet si δ = Ec − Ex, ku Ex është energjia e eksitonit, dhe Ec përfaqëson energjinë e fotonit të rezonatorit me momentum zero në plan. Grafiku 2d është një prerje nën kënde të ndryshme të disperzionit elektroluminescent. Këtu është qartë e dukshme disperzioni i modëve të sipërme dhe të poshtme të polaritonëve me antikthesë që ndodh në zonën e rezonancës eksitonike.
Imazhi Nr. 3
Me rritjen e rrjedhës së tunneling, intensiteti i përgjithshëm i EL rritet. Elektroluminescenca e dobët nga polaritonët vërehet afër zhvendosjes së pragut (3a), ndërsa në një zhvendosje mjaft të madhe mbi prag, emetimi polariton bëhet i dukshëm (3b).
Në imazh 3c tregohet grafiku polarn i intensitetit të EL si funksion i këndit, që ilustron një konus të ngushtë emetimi ± 15°. Diagrami i emetimit mbetet praktikisht i pandryshuar si për rrjedhjen minimale (kurba e gjelbër), ashtu edhe për rrjedhjen maksimale (kurba portokalli) të excitimit. Në 3d tregohet intensiteti e integruar në rrjedha të ndryshme të tunnelingit, e cila, siç duket nga grafiku, është mjaft lineare. Prandaj, rritja e rrjedhës deri në vlera të larta mund të rezultojë në shpërbërjen e suksesshme të polaritonëve përgjatë degës së poshtme dhe të krijojë një diagram të jashtëzakonshëm të ngushtë të emetimit për shkak të gjenerimit të polaritonëve. Megjithatë, në këtë eksperiment nuk ishte e mundur të arrihej kjo për shkak të kufizimeve të lidhura me prishjen dielektrike të barrierës së tunnelingut hBN.
Pikat e kuqe në 3d tregon matjet e një treguesi tjetër - efikasiteti të jashtëm kuantor*.
Efikasiteti kuantor* është raporti i numrit të fotoneve, përthithja e të cilave shkaktoi formimin e quasiteksteve, me numrin total të fotoneve të përthithura.
Efiçenca kuantike e vëzhguar është e krahasueshme me atë në LED të tjera polaritone (të bazuara në materiale organike, tubat e karbonit, etj.). Megjithatë, është e rëndësishme të theksohet se në pajisjen e studiuar, trashësia e shtresës që emeton dritë është vetëm 0.7 nm, ndërsa për pajisje të tjera, kjo vlerë është shumë më e lartë. Shkencëtarët nuk e fshehin se treguesi i efikasitetit kuantik të pajisjes së tyre nuk është më i larti, por mund të rritet duke vendosur numra më të madh monoshkallësh brenda zonës tunelore, të ndara me shtresa të holla hBN.
Kërkuesit gjithashtu kontrolluan ndikimin e çrregullimit të rezonatorit në EL të polaritonit, duke prodhuar një pajisje tjetër, por me një çrregullim më të fortë (- 43 meV).
Imazhi Nr. 4
Në imazh 4a tregohet spektrat e EL me resolucion këndor të kësaj pajisjeje në densitetin e rrymës 0.2 μA/mk². Për shkak të çrregullimit të fortë, pajisja demonstron një efekt të theksuar të qafës së shishes në EL me maksimumin e emisionit që ndodh nën një kënd të madh. Kjo konfirmohet më tej në imazh 4b, ku krahasohen grafikët polarë të kësaj pajisjeje me të parën (2c).
Për një njohje më të detajuar të nuancave të hulumtimit, rekomandoj të shikoni në .
Epilogu
Kështu, të gjitha vëzhgimet dhe matjet e përmendura më sipër konfirmojnë praninë e elektroluminiscencës polaritone në heterostrukturën vdW, të integruar në mikror rezonatorin optik. Arkitektura tunelore e pajisjes së studiuar lejon futjen e elektronëve/vrimave dhe rikombinimin në monoshkallin WS2, i cili shërben si emetues dritë. Është e rëndësishme të theksohet se mekanizmi tunelor i pajisjes nuk kërkon ligjerimin e komponimeve, çka minimizon humbjet dhe ndryshimet e ndryshme që lidhen me temperaturën.
Është vërtetuar se EL ka një drejtkëndësh të lartë falë disperzionit të rezonatorit. Prandaj, përmirësimi i cilësisë së rezonatorit dhe një furnizim më i lartë i rrymës do të mundësojë rritjen e efikasitetit të LED-ve të mikror rezonatorëve, si dhe polaritoneve të mikror rezonatorëve dhe lazerëve fotonikë të kontrolluar elektrikisht.
Ky punim e konfirmoi përsëri se dikhalkogjenidët e metaleve kalimtare kanë vërtetë veti unike dhe një gamë të gjerë aplikimesh.
Studime të tilla dhe shpikje novatore mund të kenë një ndikim të madh në zhvillimin dhe përhapjen e teknologjive të transmisionit të të dhënave përmes LED-ëve dhe dritës. Një nga këto teknologji futuriste është Li-Fi, e cila mund të ofrojë një shpejtësi shumë më të madhe se sa Wi-Fi aktual.
Faleminderit për vëmendjen, qëndroni kuriozë dhe ju uroj një javë të mbarë të punës, ragazzi! 🙂
Faleminderit që qëndroni me ne. Ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni më shumë materiale interesante? Na mbështetni duke bërë një porosi ose duke na rekomanduar miqve tuaj. 30% zbritje për përdoruesit e Habra në një analog unik të serverëve entry-level, të cilin e kemi shpikur për ju: (opcionet me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40GB DDR4 janë të disponueshme).
Dell R730xd për dy herë më lirë? Vetëm te ne në Holandë! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — nga $99! Lexoni rreth
Burimi: habr.com
