Mangtaun-taun, para ilmuwan ti sakumna dunya parantos ngalaksanakeun dua hal - nimukeun sareng ningkatkeun. Sarta kadangkala teu jelas nu leuwih hese. Candak, contona, LEDs biasa, nu sigana jadi basajan tur biasa mun urang malah teu nengetan aranjeunna. Tapi mun anjeun tambahkeun sababaraha excitons, a ciwit of polaritons na tungsten disulfide secukupnya, LEDs moal deui jadi prosaic. Sadaya istilah abstruse ieu mangrupikeun nami komponén anu luar biasa, kombinasi anu ngamungkinkeun para ilmuwan ti City College of New York nyiptakeun sistem énggal anu tiasa ngirim inpormasi gancang pisan nganggo lampu. Pangwangunan ieu bakal ngabantosan ningkatkeun téknologi Li-Fi. Naon bahan pasti tina téhnologi anyar dipaké, naon resep "piring" ieu sareng naon efisiensi operasi tina LED exciton-polarton anyar? Laporan para ilmuwan bakal nyarioskeun ka urang ngeunaan ieu. indit.
Dasar panalungtikan
Upami urang nyederhanakeun sadayana kana hiji kecap, maka téknologi ieu hampang sareng sadayana aya hubunganana. Anu mimiti, polariton, anu timbul nalika foton berinteraksi sareng éksitasi médium (phonon, excitons, plasmons, magnons, jsb.). Bréh, excitons mangrupakeun excitations éléktronik dina diéléktrik, semikonduktor atawa logam anu migrasi sakuliah kristal sarta henteu pakait sareng mindahkeun muatan listrik jeung massa.
Kadé dicatet yén quasiparticles ieu cinta tiis pisan, i.e. Aktivitas maranéhanana ngan bisa dititénan dina suhu pisan low, nu greatly ngawatesan aplikasi praktis maranéhanana. Tapi éta sateuacanna. Dina karya ieu, para ilmuwan tiasa ngatasi watesan suhu sareng ngagunakeunana dina suhu kamar.
Fitur utama polariton nyaéta kamampuhan pikeun ngabeungkeut foton saling. Foton tabrakan jeung atom rubidium meunangkeun massa. Dina prosés tabrakan terus-terusan, foton silih mumbul, tapi dina kasus anu jarang, aranjeunna ngabentuk pasangan sareng triplét, bari kaleungitan komponén atom anu diwakilan ku atom rubidium.
Tapi pikeun ngalakukeun hiji hal kalawan lampu, Anjeun kudu nyekel eta. Pikeun ieu diperlukeun hiji resonator optik, nu mangrupakeun susunan elemen reflective nu ngabentuk gelombang lampu nangtung.
Dina ulikan ieu, peran pangpentingna dimaénkeun ku quasiparticles malah leuwih mahiwal - exciton-polaritons, nu kabentuk alatan gandeng kuat excitons na foton trapped dina rongga optik.
Sanajan kitu, ieu teu cukup, sabab dasar bahan diperlukeun, jadi mun nyarita. Sareng saha anu langkung saé tibatan logam transisi dichalcogenide (TMD) anu bakal maénkeun peran ieu? Leuwih tepat, hiji monolayer WS2 (tungsten disulfide) dipaké salaku bahan emitting, nu boga kakuatan beungkeutan exciton impressive, nu jadi salah sahiji kriteria utama pikeun milih bahan dasar.
Kombinasi sadaya elemen anu ditétélakeun di luhur ngamungkinkeun pikeun nyiptakeun LED polariton anu dikawasa sacara listrik dina suhu kamar.
Pikeun ngawujudkeun alat ieu, hiji monolayer of WS2 sandwiched antara ipis héksagonal boron nitride (hBN) halangan torowongan jeung lapisan graphene akting salaku éléktroda.
Hasil panilitian
WS2, salaku logam transisi dichalcogenide, ogé bahan van der Waals (vdW) ipis atom. Ieu nyarioskeun sipat listrik, optik, mékanis sareng termal anu unik.
Dina kombinasi sareng bahan vdW anu sanés, sapertos graphene (salaku konduktor) sareng boron nitride héksagonal (hBN, salaku insulator), sajumlah alat semikonduktor anu dikawasa sacara listrik, kalebet LED, tiasa diwujudkeun. Kombinasi anu sami tina bahan van der Waals sareng polariton parantos diwujudkeun sateuacanna, sakumaha anu disebatkeun ku panaliti sacara kabuka. Sanajan kitu, dina karya saméméhna, sistem anu dihasilkeun éta kompléks jeung teu sampurna, sarta henteu nembongkeun potensi pinuh unggal komponén.
Salah sahiji ideu anu diideuan ku miheulaan nyaéta ngagunakeun platform bahan dua diménsi. Dina hal ieu, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun ngawujudkeun alat jeung lapisan émisi ipis atom, nu bisa terpadu kalayan bahan vdW séjén akting salaku kontak (graphene) jeung halangan torowongan (hBN). Salaku tambahan, dua diménsi sapertos ngamungkinkeun ngagabungkeun LED polariton sareng bahan vdW anu gaduh sipat magnét anu teu biasa, superkonduktivitas kuat sareng / atanapi transfer topologis non-standar. Salaku hasil tina kombinasi misalna hiji tipe lengkep anyar alat bisa didapet, sipat nu bisa jadi rada mahiwal. Tapi, sakumaha ceuk para ilmuwan, ieu topik pikeun ulikan sejen.
Gambar #1
Dina gambar 1a nembongkeun model tilu diménsi alat nu nyarupaan kueh lapis. Eunteung luhur resonator optik nyaéta lapisan pérak, jeung eunteung handap mangrupa 12-lapisan disebarkeun. Reflektor Bragg*. Wewengkon aktif ngandung zona torowongan.
Disebarkeun Bragg pemantul * - struktur sababaraha lapisan dimana indéks réfraktif bahan périodik robah jejeg lapisan.
Zona torowongan diwangun ku hiji vdW heterostructure diwangun ku hiji monolayer WS2 (emitor cahaya), lapisan ipis hBN dina dua sisi tina monolayer (panghalang torowongan) jeung graphene (éléktroda transparan pikeun ngawanohkeun éléktron jeung liang).
Dua lapisan deui WS2 ditambahkeun pikeun ngaronjatkeun kakuatan sakabéh osilator jeung ku kituna pikeun ngahasilkeun beulah Rabi leuwih dibaca tina kaayaan polariton.
Modeu operasi resonator disaluyukeun ku cara ngarobah ketebalan lapisan PMMA (polymétil méthacrylate, nyaéta plexiglass).
gambaran 1b Ieu snapshot of a heterostructure vdW dina beungeut hiji pemantul Bragg disebarkeun. Alatan reflectivity tinggi tina pemantul Bragg disebarkeun, nu lapisan handap, zona torowongan dina gambar ngabogaan kontras reflectance pisan low, hasilna ngan luhureun lapisan hBN kandel keur observasi.
jadwal 1s ngagambarkeun diagram zona vdW tina heterostructure dina géométri torowongan handapeun kapindahan. Electroluminescence (EL) dititénan di luhur tegangan bangbarung nalika tingkat Fermi luhur (handap) graphene ieu bergeser ka luhur (handap) konduksi (valénsi) pita WS2, sahingga hiji éléktron (liang) ka torowongan kana konduksi (valénsi). band WS2. Ieu nyiptakeun kaayaan nguntungkeun pikeun formasi excitons dina lapisan WS2 kalawan salajengna radiative (radiative) éléktron-liang rekombinasi.
Beda sareng pemancar lampu simpang pn, anu ngabutuhkeun doping pikeun beroperasi, EL tina alat torowongan ngan ukur gumantung kana arus torowongan, ngahindarkeun karugian optik sareng parobahan résistivitas anu disababkeun ku parobahan suhu. Dina waktos anu sami, arsitéktur torowongan ngamungkinkeun daérah émisi anu langkung ageung dibandingkeun sareng alat dichalcogenide dumasar kana simpang pn.
gambaran 1d nunjukkeun karakteristik listrik tina dénsitas arus tunneling (J) salaku fungsi tegangan bias (V) antara éléktroda graphene. Paningkatan anu seukeut dina arus boh voltase positip sareng négatif nunjukkeun ayana arus tunneling ngaliwatan struktur. Dina ketebalan optimal lapisan hBN (~ 2 nm), arus tunneling anu signifikan sareng paningkatan umur operator anu dipasang pikeun rékombinasi radiatif.
Sateuacan ngalaksanakeun percobaan electroluminescence, alat ieu dicirikeun ku reflectance lampu bodas sudut-direngsekeun pikeun mastikeun ayana gandeng excitonic kuat.
Gambar #2
Dina gambar 2a Spéktra pantulan anu direngsekeun sudut ti daérah aktip alat dipidangkeun, nunjukkeun paripolah anti nyebrang. Photoluminescence (PL) ogé dititénan dina éksitasi non-resonansi (460 nm), némbongkeun émisi sengit ti cabang polariton handap sarta émisi lemah ti cabang polariton luhur (2b).
on 2s nembongkeun dispersi electroluminescence polariton dina laju suntik 0.1 μA / μm2. Beulah Rabi sareng detuning rongga dicandak ku cara nyocogkeun mode osilator (garis bodas padet sareng putus-putus) kana percobaan EL masing-masing ～33 meV sareng ～-13 meV. Detuning rongga dihartikeun salaku δ = Ec - Ex, dimana Ex nyaéta énergi exciton jeung Ec ngalambangkeun énergi foton rongga-moméntum dina pesawat. Jadwal 2d Ieu mangrupakeun cut dina sudut nu beda-beda ti dispersi electroluminescent. Di dieu, dispersi tina modus polariton luhur jeung handap kalawan anticrossing lumangsung dina zona résonansi exciton jelas katempo.
Gambar #3
Nalika arus tunneling ningkat, inténsitas EL umumna ningkat. EL lemah tina polariton dititénan deukeut shift ambang (3a), sedengkeun dina pamindahan anu cukup ageung di luhur ambang, émisi polariton janten béda (3b).
Dina gambar 3s nembongkeun plot polar inténsitas EL salaku fungsi sudut, ngagambarkeun congcot émisi sempit ± 15 °. Pola radiasi tetep ampir teu robih pikeun arus éksitasi minimum (kurva héjo) sareng maksimum (kurva oranyeu). Dina 3d nembongkeun inténsitas terpadu pikeun sagala rupa arus torowongan pindah, nu, sakumaha bisa ditempo ti grafik, cukup linier. Ku alatan éta, ngaronjatna arus ka nilai luhur bisa ngakibatkeun sukses scattering of polaritons sapanjang cabang handap sarta nyieun hiji pola émisi pisan sempit alatan generasi polariton. Sanajan kitu, dina percobaan ieu teu mungkin pikeun ngahontal ieu alatan watesan pakait sareng ngarecahna diéléktrik tina halangan torowongan hBN.
Titik beureum dina 3d némbongkeun ukuran indikator séjén - éksternal efisiensi kuantum*.
Efisiensi kuantum* - babandingan jumlah foton, nyerep nu ngabalukarkeun kabentukna quasiparticles, kana jumlah total foton diserep.
Efisiensi kuantum anu dititénan tiasa dibandingkeun sareng LED polariton anu sanés (dumasar kana bahan organik, tabung karbon, jsb.). Eta sia noting yén dina alat nu nalungtik ketebalan tina lapisan cahaya-emitting ngan 0.7 nm, sedengkeun dina alat sejenna nilai ieu leuwih luhur. Élmuwan henteu nyumputkeun kanyataan yén efisiensi kuantum alatna henteu paling luhur, tapi tiasa dironjatkeun ku nempatkeun sajumlah ageung monolayers di jero zona torowongan, dipisahkeun ku lapisan ipis hBN.
Para panalungtik ogé nguji pangaruh resonator detuning on polariton EL ku nyieun alat sejen, tapi ku detuning kuat (-43 meV).
Gambar #4
Dina gambar 4a Spéktra EL kalayan résolusi sudut alat sapertos dipidangkeun dina kapadetan ayeuna 0.2 μA / μm2. Alatan detuning kuat, alat némbongkeun éfék bottleneck diucapkeun dina EL jeung émisi maksimum lumangsung dina sudut badag. Ieu salajengna dikonfirmasi dina gambar 4b, dimana grafik polar alat ieu dibandingkeun sareng anu munggaran (2s).
Pikeun kenalan anu langkung rinci sareng nuansa pangajaran, kuring nyarankeun ningali .
epilog
Ku kituna, sadaya observasi jeung pangukuran ditétélakeun di luhur mastikeun ayana electroluminescence polariton dina heterostructure vdW diwangun kana microcavity optik. Arsitéktur torowongan alat dina ulikan ensures bubuka éléktron / liang sarta rekombinasi dina monolayer WS2, nu boga fungsi minangka emitter lampu. Kadé mékanisme torowongan alat teu merlukeun alloying komponén, nu ngaminimalkeun karugian sarta sagala rupa parobahan suhu.
Ieu kapanggih yén EL ngabogaan directivity tinggi alatan dispersi of resonator nu. Ku alatan éta, ngaronjatkeun faktor kualitas rongga jeung pangiriman ayeuna luhur bakal ngaronjatkeun efisiensi microcavity LEDs, kitu ogé polaritons microcavity dikawasa listrik jeung lasers photonic.
Karya ieu sakali deui dikonfirmasi yén dichalcogenides logam transisi boga sipat sabenerna unik sarta rentang pisan lega tina aplikasi.
Panaliti sareng panemuan inovatif sapertos kitu tiasa mangaruhan pisan kana pamekaran sareng panyebaran téknologi pangiriman data nganggo LED sareng lampu sorangan. Téknologi futuristik sapertos kitu kalebet Li-Fi, anu tiasa nyayogikeun kecepatan anu langkung luhur tibatan Wi-Fi ayeuna.
Hatur nuhun kana perhatosan anjeun, tetep panasaran sareng wilujeng minggu sadayana! 🙂
Hatur nuhun pikeun tetep sareng kami. Naha anjeun resep artikel kami? Hoyong ningali eusi anu langkung narik? Dukung kami ku cara nempatkeun pesenan atanapi nyarankeun ka babaturan, Diskon 30% pikeun pangguna Habr dina analog unik tina server tingkat éntri, anu diciptakeun ku kami pikeun anjeun: (sadia kalawan RAID1 na RAID10, nepi ka 24 cores sarta nepi ka 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali langkung mirah? Ngan di dieu di Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ti $99! Baca ngeunaan
sumber: www.habr.com