Дуги низ година научници из целог света раде две ствари – измишљају и побољшавају. А понекад није јасно шта је теже. Узмимо, на пример, обичне ЛЕД диоде, које нам делују тако једноставне и обичне да на њих и не обраћамо пажњу. Али ако додате неколико екситона, прстохват поларитона и волфрам дисулфида по укусу, ЛЕД диоде више неће бити тако прозаичне. Сви ови нејасни термини су називи изузетно необичних компоненти, чија је комбинација омогућила научницима са Градског колеџа у Њујорку да створе нови систем способан да преноси информације изузетно брзо користећи светлост. Овај развој ће помоћи у побољшању Ли-Фи технологије. Који су тачно састојци нове технологије коришћени, који је рецепт за ово „јело“ и колика је радна ефикасност нове ексцитон-поларитон ЛЕД? Извештај научника ће нам рећи о томе. Иди.
Основа истраживања
Ако све поједноставимо на једну реч, онда је ова технологија лагана и све што је са њом повезано. Прво, поларитони, који настају када фотони ступају у интеракцију са побудама средине (фонони, ексцитони, плазмони, магнони, итд.). Друго, екситони су електронске побуде у диелектрику, полупроводнику или металу које мигрирају кроз кристал и нису повезане са преносом електричног набоја и масе.
Важно је напоменути да ове квазичестице веома воле хладноћу, тј. Њихова активност се може посматрати само на екстремно ниским температурама, што у великој мери ограничава њихову практичну примену. Али то је било пре. У овом раду научници су успели да превазиђу температурно ограничење и да их користе на собној температури.
Главна карактеристика поларитона је способност да међусобно везују фотоне. Фотони који се сударају са атомима рубидијума добијају масу. У процесу поновљених судара, фотони се одбијају један од другог, али у ретким случајевима формирају парове и тројке, при чему губе атомску компоненту коју представља атом рубидијума.
Али да бисте нешто урадили са светлом, морате га ухватити. За ово је потребан оптички резонатор, који је скуп рефлектујућих елемената који формирају стојећи светлосни талас.
У овој студији најважнију улогу имају још необичније квазичестице – екситон-поларитони, који настају услед снажног спрега екситона и фотона заробљених у оптичкој шупљини.
Међутим, то није довољно, јер је потребна, да тако кажем, материјална основа. А ко ће боље од дихалкогенида прелазног метала (ТМД) играти ову улогу? Тачније, као емитујући материјал коришћен је монослој ВС2 (волфрам дисулфид), који има импресивне енергије везивања екситона, што је постало један од главних критеријума за избор материјалне базе.
Комбинација свих горе описаних елемената омогућила је стварање електрично контролисане поларитонске ЛЕД диоде која ради на собној температури.
Да би се реализовао овај уређај, монослој ВС2 је у сендвичу између танких хексагоналних бор нитрида (хБН) тунелских баријера са слојевима графена који делују као електроде.
Резултати истраживања
ВС2, као дихалкогенид прелазног метала, такође је атомски танак ван дер Валсов (вдВ) материјал. Ово говори о његовим јединственим електричним, оптичким, механичким и термичким својствима.
У комбинацији са другим вдВ материјалима, као што су графен (као проводник) и хексагонални бор нитрид (хБН, као изолатор), може се реализовати читав низ електрично контролисаних полупроводничких уређаја, који укључују ЛЕД диоде. Сличне комбинације ван дер Валсових материјала и поларитона већ су реализоване раније, како истраживачи отворено наводе. Међутим, у претходним радовима, добијени системи су били сложени и несавршени, и нису откривали пун потенцијал сваке компоненте.
Једна од идеја која је инспирисана претходницима била је употреба дводимензионалне материјалне платформе. У овом случају је могуће реализовати уређаје са атомски танким емисионим слојевима, који се могу интегрисати са другим вдВ материјалима који делују као контакти (графен) и тунелске баријере (хБН). Поред тога, таква дводимензионалност омогућава комбиновање поларитонских ЛЕД диода са вдВ материјалима који имају необична магнетна својства, јаку суперпроводљивост и/или нестандардне тополошке трансфере. Као резултат такве комбинације, може се добити потпуно нова врста уређаја, чија својства могу бити прилично необична. Али, како кажу научници, ово је тема за другу студију.
Слика #1
На слици КСНУМКС приказује тродимензионални модел уређаја који подсећа на слојевит колач. Горње огледало оптичког резонатора је слој сребра, а доње огледало је 12-слојно распоређено Брагг рефлектор*. Активни регион садржи зону тунела.
Дистрибуирани Брагг рефлектор* - структура од неколико слојева у којој се индекс преламања материјала периодично мења окомито на слојеве.
Тунелска зона се састоји од вдВ хетероструктуре која се састоји од ВС2 монослоја (емитер светлости), танких слојева хБН са обе стране монослоја (тунелска баријера) и графена (провидне електроде за увођење електрона и рупа).
Додата су још два слоја ВС2 да би се повећала укупна снага осцилатора и самим тим да би се произвело израженије Рабијево цепање поларних стања.
Режим рада резонатора се подешава променом дебљине ПММА слоја (полиметил метакрилат, тј. плексиглас).
Изображение 1b Ово је снимак вдВ хетероструктуре на површини дистрибуираног Брагговог рефлектора. Због високе рефлексивности дистрибуираног Брагговог рефлектора, који је доњи слој, зона тунела на слици има веома низак контраст рефлексије, што резултира само горњим дебелим хБН слојем који се посматра.
Распоред КСНУМКСс је вдВ зонски дијаграм хетероструктуре у геометрији тунела под померањем. Електролуминисценција (ЕЛ) се примећује изнад граничног напона када се Ферми ниво горњег (доњег) графена помери изнад (испод) проводљивог (валентног) појаса ВС2, омогућавајући електрону (рупи) да тунелира у проводљивост (валентност) опсег ВС2. Ово ствара повољне услове за формирање екситона у ВС2 слоју са накнадном радијативном (радијативном) рекомбинацијом електрон-рупа.
За разлику од емитера светлости са пн спојем, који захтевају допинг за рад, ЕЛ од тунелских уређаја зависи искључиво од тунелске струје, избегавајући оптичке губитке и било какве промене у отпорности изазване променама температуре. У исто време, архитектура тунела омогућава много већи регион емисије у поређењу са дихалкогенидним уређајима заснованим на пн спојевима.
Изображение 1d показује електричне карактеристике густине струје тунела (J) као функција преднапона (V) између графенских електрода. Оштар пораст струје и за позитивне и за негативне напоне указује на појаву тунелске струје кроз структуру. При оптималној дебљини хБН слојева (~2 нм), примећена је значајна тунелска струја и повећање животног века уграђених носача за радијацијску рекомбинацију.
Пре спровођења експеримента електролуминисценције, уређај је окарактерисан рефлексијом беле светлости са раздвојеним углом да би се потврдило присуство јаке ексцитонске спреге.
Слика #2
На слици КСНУМКС Приказани су спектри рефлексије под углом из активног региона уређаја, демонстрирајући понашање против укрштања. Фотолуминисценција (ПЛ) је такође примећена под нерезонантном ексцитацијом (460 нм), показујући интензивну емисију из доње поларитонске гране и слабију емисију из горње поларитонске гране (2b).
На КСНУМКСс приказује дисперзију електролуминисценције поларитона при брзини убризгавања од 0.1 μА/μм2. Рабијево цепање и деподешавање шупљине добијено прилагођавањем модова осцилатора (пуна и испрекидана бела линија) у ЕЛ експеримент су ～33 меВ и ～-13 меВ, респективно. Деподешавање шупљине је дефинисано као δ = Ец − Ек, где је Ек енергија екситона, а Ец означава енергију фотона шупљине са нултим моментом у равни. Распоред 2d Ово је рез под различитим угловима од електролуминисцентне дисперзије. Овде је јасно видљива дисперзија горњег и доњег поларитонског мода са антикрижењем које се јавља у зони ексцитонске резонанце.
Слика #3
Како се тунелска струја повећава, укупни ЕЛ интензитет се повећава. Слаб ЕЛ од поларитона се примећује близу померања прага (КСНУМКС), док при довољно великом помаку изнад прага, поларитонска емисија постаје јасна (3b).
На слици КСНУМКСс приказује поларни дијаграм интензитета ЕЛ као функције угла, који приказује уски емисиони конус од ±15°. Шема зрачења остаје практично непромењена и за минималну (зелена крива) и за максималну (наранџаста крива) побудну струју. на 3d приказује интегрисани интензитет за различите покретне тунелске струје, који је, као што се види из графикона, прилично линеаран. Према томе, повећање струје на високе вредности може довести до успешног расејања поларитона дуж доње гране и створити изузетно уски образац емисије услед генерисања поларитона. Међутим, у овом експерименту то није било могуће постићи због ограничења повезаног са диелектричним сломом хБН тунелске баријере.
Црвене тачке на 3d показују мерења другог индикатора - екстерног квантна ефикасност*.
Квантна ефикасност* — однос броја фотона, чија је апсорпција изазвала настанак квазичестица, према укупном броју апсорбованих фотона.
Уочена квантна ефикасност је упоредива са оном код других поларитонских ЛЕД диода (на бази органских материјала, угљеничних цеви, итд.). Вреди напоменути да је у уређају који се проучава дебљина слоја који емитује светлост само 0.7 нм, док је код других уређаја ова вредност много већа. Научници не крију да квантна ефикасност њиховог уређаја није највећа, али се може повећати постављањем већег броја монослојева унутар зоне тунела, раздвојених танким слојевима хБН.
Истраживачи су такође тестирали ефекат деподешавања резонатора на поларитон ЕЛ тако што су направили други уређај, али са јачим подешавањем (-43 меВ).
Слика #4
На слици КСНУМКС ЕЛ спектри са угаоном резолуцијом таквог уређаја приказани су при густини струје од 0.2 μА/μм2. Услед снажног одређивања, уређај показује изражен ефекат уског грла у ЕЛ са максимумом емисије који се јавља под великим углом. Ово је додатно потврђено на слици 4b, где се поларни графикони овог уређаја пореде са првим (КСНУМКСс).
За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате .
Епилог
Дакле, сва горе описана запажања и мерења потврђују присуство поларитонске електролуминисценције у вдВ хетероструктури уграђеној у оптичку микрошупљину. Тунелска архитектура уређаја који се проучава обезбеђује увођење електрона/рупа и рекомбинацију у монослој ВС2, који служи као емитер светлости. Важно је да тунелски механизам уређаја не захтева легирање компоненти, чиме се минимизирају губици и разне температурне промене.
Утврђено је да ЕЛ има високу усмереност због дисперзије резонатора. Због тога ће побољшање фактора квалитета шупљине и већа испорука струје побољшати ефикасност микрошупљинских ЛЕД диода, као и електрично контролисаних поларитона микрошупљине и фотонских ласера.
Овај рад је још једном потврдио да дихалкогениди прелазних метала имају заиста јединствена својства и веома широк спектар примена.
Оваква истраживања и иновативни изуми могу у великој мери утицати на развој и ширење технологија преноса података коришћењем ЛЕД диода и самог светла. Такве футуристичке технологије укључују Ли-Фи, који може да обезбеди знатно веће брзине од тренутно доступне Ви-Фи мреже.
Хвала на читању, останите радознали и желим вам одличну недељу! 🙂
Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).
Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о
Извор: ввв.хабр.цом