Për shumë vite, shkencëtarët nga e gjithë bota kanë bërë dy gjëra - duke shpikur dhe duke u përmirësuar. Dhe ndonjëherë nuk është e qartë se çfarë është më e vështirë. Merrni, për shembull, LED-të e zakonshëm, të cilët na duken aq të thjeshtë dhe të zakonshëm sa që as nuk u kushtojmë vëmendje atyre. Por nëse shtoni disa eksitone, pak polaritone dhe disulfid tungsteni për shije, LED-të nuk do të jenë më aq prozaikë. Të gjitha këto terma abstrues janë emrat e komponentëve jashtëzakonisht të pazakontë, kombinimi i të cilave lejoi shkencëtarët nga Kolegji i Qytetit të Nju Jorkut të krijonin një sistem të ri të aftë për të transmetuar informacion jashtëzakonisht shpejt duke përdorur dritën. Ky zhvillim do të ndihmojë në përmirësimin e teknologjisë Li-Fi. Cilët përbërës të saktë të teknologjisë së re janë përdorur, cila është receta për këtë "pjatë" dhe cili është efikasiteti i funksionimit të LED-it të ri exciton-polariton? Raporti i shkencëtarëve do të na tregojë për këtë. Shkoni.
Baza e studimit
Nëse thjeshtojmë gjithçka me një fjalë, atëherë kjo teknologji është e lehtë dhe gjithçka që lidhet me të. Së pari, polaritone, të cilat lindin kur fotonet ndërveprojnë me ngacmimet e mediumit (fonone, eksitone, plasmone, magnone, etj.). Së dyti, eksitonet janë ngacmime elektronike në një dielektrik, gjysmëpërçues ose metal që migrojnë në të gjithë kristalin dhe nuk shoqërohen me transferimin e ngarkesës elektrike dhe masës.
Është e rëndësishme të theksohet se këto kuazi grimca e duan shumë të ftohtin, d.m.th. Aktiviteti i tyre mund të vërehet vetëm në temperatura jashtëzakonisht të ulëta, gjë që kufizon shumë zbatimin e tyre praktik. Por kjo ishte më parë. Në këtë punë, shkencëtarët ishin në gjendje të kapërcenin kufizimin e temperaturës dhe t'i përdornin ato në temperaturat e dhomës.
Tipari kryesor i polaritoneve është aftësia për të lidhur fotonet me njëri-tjetrin. Fotonet duke u përplasur me atomet e rubidiumit marrin masë. Në procesin e përplasjeve të përsëritura, fotonet kërcejnë nga njëri-tjetri, por në raste të rralla ato formojnë çifte dhe treshe, ndërsa humbasin përbërësin atomik të përfaqësuar nga atomi i rubidiumit.
Por për të bërë diçka me dritë, duhet ta kapësh atë. Për këtë, nevojitet një rezonator optik, i cili është një grup elementësh reflektues që formojnë një valë drite në këmbë.
Në këtë studim, rolin më të rëndësishëm luajnë kuazigrimcat edhe më të pazakonta - eksiton-polaritonet, të cilat formohen për shkak të bashkimit të fortë të eksitoneve dhe fotoneve të bllokuara në një zgavër optike.
Megjithatë, kjo nuk mjafton, sepse duhet një bazë materiale, si të thuash. Dhe kush do ta luajë këtë rol më mirë se dikalkogjenidi i metalit kalimtar (TMD)? Më saktësisht, si material lëshues është përdorur një shtresë e vetme WS2 (disulfidi tungsteni), e cila ka energji mbresëlënëse lidhëse eksiton, e cila u bë një nga kriteret kryesore për zgjedhjen e bazës materiale.
Kombinimi i të gjithë elementëve të përshkruar më sipër bëri të mundur krijimin e një LED polaritoni të kontrolluar elektrikisht që funksionon në temperaturën e dhomës.
Për të realizuar këtë pajisje, një shtresë e vetme e WS2 vendoset midis barrierave të hollë të tunelit të nitridit të borit (hBN) gjashtëkëndore me shtresa grafeni që veprojnë si elektroda.
Rezultatet e studimit
WS2, duke qenë një dikalkogjenid i metalit kalimtar, është gjithashtu një material van der Waals (vdW) i hollë atomikisht. Kjo flet për vetitë e tij unike elektrike, optike, mekanike dhe termike.
Në kombinim me materiale të tjera vdW, si grafeni (si përçues) dhe nitridi i borit gjashtëkëndor (hBN, si izolues), mund të realizohet një mori e tërë pajisjesh gjysmëpërçuese të kontrolluara elektrikisht, të cilat përfshijnë LED. Kombinime të ngjashme të materialeve të van der Waals dhe polaritoneve janë realizuar tashmë më parë, siç thonë hapur studiuesit. Sidoqoftë, në punimet e mëparshme, sistemet që rezultuan ishin komplekse dhe të papërsosura dhe nuk zbuluan potencialin e plotë të secilit komponent.
Një nga idetë që u frymëzua nga paraardhësit ishte përdorimi i një platforme materiale dydimensionale. Në këtë rast, është e mundur të realizohen pajisje me shtresa emetuese atomike të holla, të cilat mund të integrohen me materiale të tjera vdW që veprojnë si kontakte (grafen) dhe pengesa tuneli (hBN). Për më tepër, një dydimensionalitet i tillë bën të mundur kombinimin e LED-ve polariton me materiale vdW që kanë veti të pazakonta magnetike, superpërçueshmëri të fortë dhe/ose transferime topologjike jo standarde. Si rezultat i një kombinimi të tillë, mund të merret një lloj pajisjeje krejtësisht e re, vetitë e së cilës mund të jenë mjaft të pazakonta. Por, siç thonë shkencëtarët, kjo është një temë për një tjetër studim.
Imazhi numër 1
Në imazh 1a tregon një model tre-dimensional të një pajisjeje që i ngjan një torte me shtresa. Pasqyra e sipërme e rezonatorit optik është një shtresë argjendi, dhe pasqyra e poshtme është një 12 shtresa e shpërndarë. reflektor Bragg*. Rajoni aktiv përmban një zonë tuneli.
Reflektori Bragg i shpërndarë* - një strukturë prej disa shtresash në të cilën indeksi i thyerjes së materialit ndryshon periodikisht pingul me shtresat.
Zona e tunelit përbëhet nga një heterostrukturë vdW e përbërë nga një shtresë e vetme WS2 (emetues drite), shtresa të holla hBN në të dy anët e monoshtresës (barriera e tunelit) dhe grafeni (elektroda transparente për futjen e elektroneve dhe vrimave).
Dy shtresa të tjera të WS2 u shtuan për të rritur forcën e përgjithshme të oshilatorit dhe kështu për të prodhuar ndarje më të theksuar Rabi të gjendjeve polaritone.
Mënyra e funksionimit të rezonatorit rregullohet duke ndryshuar trashësinë e shtresës PMMA (polimetil metakrilat, d.m.th. pleksiglas).
Изображение 1b Kjo është një pamje e një heterostrukture vdW në sipërfaqen e një reflektori të shpërndarë Bragg. Për shkak të reflektimit të lartë të reflektorit të shpërndarë Bragg, i cili është shtresa e poshtme, zona e tunelit në imazh ka një kontrast reflektimi shumë të ulët, duke rezultuar në vëzhgimin e vetëm shtresës së sipërme të trashë hBN.
Orar Vitet 1 paraqet diagramin e zonës vdW të heterostrukturës në gjeometrinë e tunelit nën zhvendosje. Elektrolumineshenca (EL) vërehet mbi tensionin e pragut kur niveli Fermi i grafenit të sipërm (poshtë) zhvendoset mbi (poshtë) brezit të përcjelljes (valencës) të WS2, duke lejuar një elektron (vrimë) të tunele në përçueshmëri (valencë) brezi i WS2. Kjo krijon kushte të favorshme për formimin e eksitoneve në shtresën WS2 me rikombinim të mëvonshëm rrezatues (rrezatues) elektron-vrima.
Ndryshe nga emetuesit e dritës me kryqëzim pn, të cilët kërkojnë doping për të funksionuar, EL nga pajisjet e tunelit varet vetëm nga rryma e tunelit, duke shmangur humbjet optike dhe çdo ndryshim në rezistencën e shkaktuar nga ndryshimet e temperaturës. Në të njëjtën kohë, arkitektura e tunelit lejon një rajon shumë më të madh emetimi në krahasim me pajisjet dikalkogjenide të bazuara në kryqëzimet pn.
Изображение 1d demonstron karakteristikat elektrike të densitetit të rrymës së tunelit (J) si funksion i tensionit të paragjykimit (V) ndërmjet elektrodave të grafenit. Një rritje e mprehtë e rrymës për tensionet pozitive dhe negative tregon shfaqjen e rrymës së tunelit nëpër strukturë. Në trashësinë optimale të shtresave hBN (~ 2 nm), vërehet një rrymë e konsiderueshme tunelimi dhe një rritje në jetëgjatësinë e transportuesve të ngulitur për rikombinim rrezatues.
Para kryerjes së eksperimentit të elektrolumineshencës, pajisja u karakterizua nga reflektimi i dritës së bardhë të zgjidhur në kënd për të konfirmuar praninë e bashkimit të fortë eksitonik.
Imazhi numër 2
Në imazh 2a Tregohen spektrat e reflektimit të zgjidhur nga këndi nga rajoni aktiv i pajisjes, duke demonstruar sjellje kundër kryqëzimit. Fotolumineshenca (PL) u vu re gjithashtu nën ngacmim jo rezonant (460 nm), duke treguar emetim intensiv nga dega e polaritonit të poshtëm dhe emetim më të dobët nga dega e sipërme e polaritonit (2b).
Mbi Vitet 2 tregon shpërndarjen e elektrolumineshencës së polaritonit me një shpejtësi injektimi prej 0.1 μA/μm2. Ndarja Rabi dhe çmontimi i zgavrës të marra nga përshtatja e mënyrave të oshilatorit (vija e bardhë e ngurtë dhe e ndërprerë) në eksperimentin EL janë ～33 meV dhe ～-13 meV, respektivisht. Detuningu i zgavrës përkufizohet si δ = Ec - Ex, ku Ex është energjia e eksitonit dhe Ec tregon energjinë e fotonit të zgavrës me moment zero në plan. Orari 2d Kjo është një prerje në kënde të ndryshme nga dispersioni elektrolumineshent. Këtu, shpërndarja e mënyrave të polaritonit të sipërm dhe të poshtëm me anti-kalim që ndodh në zonën e rezonancës së eksitonit është qartë e dukshme.
Imazhi numër 3
Ndërsa rryma e tunelit rritet, intensiteti i përgjithshëm i EL rritet. EL i dobët nga polaritonet vërehet pranë zhvendosjes së pragut (3a), ndërsa në një zhvendosje mjaft të madhe mbi pragun, emetimi i polaritonit bëhet i dallueshëm (3b).
Në imazh Vitet 3 tregon një grafik polare të intensitetit EL në funksion të këndit, duke paraqitur një kon të ngushtë emetimi prej ±15°. Modeli i rrezatimit mbetet praktikisht i pandryshuar si për rrymën e ngacmimit minimal (lakore e gjelbër) dhe maksimale (lakore portokalli). Aktiv 3d tregon intensitetin e integruar për rrymat e ndryshme lëvizëse të tunelit, i cili, siç shihet nga grafiku, është mjaft linear. Prandaj, rritja e rrymës në vlera të larta mund të çojë në shpërndarje të suksesshme të polaritoneve përgjatë degës së poshtme dhe të krijojë një model emetimi jashtëzakonisht të ngushtë për shkak të gjenerimit të polaritonit. Megjithatë, në këtë eksperiment nuk ishte e mundur të arrihet kjo për shkak të kufizimit që lidhet me prishjen dielektrike të pengesës së tunelit hBN.
Pikat e kuqe në 3d tregojnë matjet e një treguesi tjetër - të jashtëm efikasiteti kuantik*.
Efikasiteti kuantik* - raporti i numrit të fotoneve, përthithja e të cilave shkaktoi formimin e kuazigrimcave, me numrin total të fotoneve të përthithur.
Efikasiteti kuantik i vëzhguar është i krahasueshëm me atë në LED-et e tjera polaritone (bazuar në materiale organike, tuba karboni, etj.). Vlen të theksohet se në pajisjen në studim trashësia e shtresës së dritës është vetëm 0.7 nm, ndërsa në pajisjet e tjera kjo vlerë është shumë më e lartë. Shkencëtarët nuk e fshehin faktin se efikasiteti kuantik i pajisjes së tyre nuk është më i larti, por mund të rritet duke vendosur një numër më të madh monoshtresash brenda zonës së tunelit, të ndara nga shtresa të holla hBN.
Studiuesit testuan gjithashtu efektin e detonifikimit të rezonatorit në polaritonin EL duke bërë një pajisje tjetër, por me një detonim më të fortë (-43 meV).
Imazhi numër 4
Në imazh 4a Spektrat EL me rezolucion këndor të një pajisjeje të tillë tregohen me një densitet të rrymës prej 0.2 μA/μm2. Për shkak të detonifikimit të fortë, pajisja shfaq një efekt të theksuar bllokimi në EL me maksimumin e emetimit që ndodh në një kënd të madh. Kjo konfirmohet më tej në imazh 4b, ku grafikët polare të kësaj pajisjeje krahasohen me të parën (Vitet 2).
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy .
epilog
Kështu, të gjitha vëzhgimet dhe matjet e përshkruara më sipër konfirmojnë praninë e elektrolumineshencës polaritone në një heterostrukturë vdW të ndërtuar në një mikrokavitet optik. Arkitektura e tunelit të pajisjes në studim siguron futjen e elektroneve/vrimave dhe rikombinimin në një shtresë të vetme WS2, e cila shërben si emetues drite. Është e rëndësishme që mekanizmi i tunelit të pajisjes të mos kërkojë lidhjen e komponentëve, gjë që minimizon humbjet dhe ndryshimet e ndryshme të lidhura me temperaturën.
U zbulua se EL ka një drejtim të lartë për shkak të shpërndarjes së rezonatorit. Prandaj, përmirësimi i faktorit të cilësisë së zgavrës dhe shpërndarja më e lartë e rrymës do të përmirësojë efikasitetin e LED-ve të mikrokavitetit, si dhe polaritoneve të mikrokavitetit dhe lazerëve fotonik të kontrolluar elektrikisht.
Kjo punë konfirmoi edhe një herë se dikalkogjenidet e metaleve kalimtare kanë veti vërtet unike dhe një gamë shumë të gjerë aplikimesh.
Kërkime të tilla dhe shpikje inovative mund të ndikojnë shumë në zhvillimin dhe përhapjen e teknologjive të transmetimit të të dhënave duke përdorur LED dhe vetë dritën. Teknologji të tilla futuriste përfshijnë Li-Fi, i cili mund të sigurojë shpejtësi dukshëm më të larta se Wi-Fi aktualisht i disponueshëm.
Faleminderit për leximin, qëndroni kurioz dhe ju uroj një javë të mbarë djema! 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, 30% zbritje për përdoruesit e Habr në një analog unik të serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com