Under Ă„ren har forskare frĂ„n hela vĂ€rlden sysslat med tvĂ„ saker â att uppfinna och att förbĂ€ttra. Ibland Ă€r det oklart vad som Ă€r svĂ„rare. Ta till exempel vanliga lysdioder, som verkar sĂ„ enkla och vardagliga att vi knappt lĂ€gger mĂ€rke till dem. Men om man tillsĂ€tter lite excitoner, en nypa polariton och wolframdisulfid efter smak, blir lysdioderna inte sĂ„ prozaiska lĂ€ngre. Alla dessa svĂ„ra termer Ă€r namn pĂ„ extremt ovanliga komponenter, vars kombination har gjort det möjligt för forskare frĂ„n City University of New York att skapa ett nytt system som kan överföra information mycket snabbt med hjĂ€lp av ljus. Denna utveckling kommer att förbĂ€ttra Li-Fi-teknologin. Vilka specifika ingredienser som anvĂ€ndes i den nya teknologin, vad receptet pĂ„ denna "rĂ€tt" Ă€r och hur effektivt det nya exciton-polariton lysdioden fungerar? Det kommer forskarnas rapport att berĂ€tta för oss. LĂ„t oss börja.
Forskningsgrund
Om vi förenklar allt till ett ord, sĂ„ handlar denna teknologi om ljus och allt som har med det att göra. För det första, polaritoner, som uppstĂ„r vid interaktionen mellan fotoner och excitationer i mediet (fononer, excitoner, plasmoner, magnoner osv.). För det andra, excitoner â elektroniska excitationer i dielektriska Ă€mnen, halvledare eller metaller, som migrerar genom kristallen och inte Ă€r kopplade till överföring av elektrisk laddning och massa.
Det Àr viktigt att notera att dessa kvasi-partiklar Àlskar kyla, dvs. deras aktivitet kan bara observeras vid mycket lÄga temperaturer, vilket starkt begrÀnsar praktiska tillÀmpningar. Men det var dÄ. I detta arbete har forskarna lyckats övervinna temperaturbegrÀnsningen och anvÀnda dem vid rumstemperatur.
Den frÀmsta egenskapen hos polaritoner Àr möjligheten att binda fotoner till varandra. Fotoner som kolliderar med rubidiumatomer fÄr massa. I processen med upprepade kollisioner studsar fotoner bort frÄn varandra, men i sÀllsynta fall bildar de par och tripletter, samtidigt som de förlorar den atomÀra komponenten som representeras av rubidiumatomen.
Men för att göra nÄgot med ljuset mÄste man fÄnga det. För detta behövs en optisk resonator, som Àr en samling reflekterande element som formar en stÄende ljusvÄg.
I denna studie spelar Ă€nnu mer ovanliga kvasi-partiklar â exciton-polaritoner, som bildas tack vare den starka kopplingen mellan excitoner och fotoner, en avgörande roll och fĂ„ngas i en optisk resonator.
Men detta Àr inte tillrÀckligt, eftersom en materiell grund behövs, sÄ att sÀga. Och vem skulle kunna fylla denna roll bÀttre Àn dikhalkogenider av övergÄngsmetaller (DPM)?. För att vara mer exakt sÄ anvÀndes monoslöjan WS2 (volframdisulfid) som emitterande material, som har imponerande exciton-bindningsenergier, vilket blev ett av de viktigaste kriterierna för valet av materia.
SammanstÀllningen av alla ovan beskrivna element möjliggjorde skapandet av en elektriskt styrd polaritondiod som fungerar vid rumstemperatur.
För att realisera denna enhet Àr monoslöjan WS2 placerad mellan tunna hexagonala tunnelingbarriÀrer av bor-nitrid (hBN) med grafenlager som fungerar som elektroder.
Forskningsresultat
WS2, som en dikhalkogenid av övergÄngsmetaller, Àr ocksÄ ett atomÀrt tunt Van-der-Waals (vdW) material. Detta pekar pÄ dess unika elektriska, optiska, mekaniska och termiska egenskaper.
I kombination med andra vdW-material, sÄsom grafen (som ledare) och hexagonalt bor-nitrid (hBN, som isolator), kan en mÀngd elektriskt styrda halvledarenheter realiseras, inklusive dioder. Liknande kombinationer av Van-der-Waals-material och polaritoner har redan realiserats tidigare, som forskarna tydligt pÄpekar. Men i tidigare arbeten var de resulterande systemen komplexa och imperfekta och avslöjade inte hela potentialen hos varje komponent.
En av de idéer som inspirerades av dess föregÄngare var tillÀmpningen av en tvÄdimensionell materialplattform. I det hÀr fallet kan man realisera enheter med atomÀrt tunna emissionslager som kan integreras med andra vdW-material som fungerar som kontakter (grafen) och tunneleringsbarriÀrer (hBN). Dessutom möjliggör denna tvÄdimensionella struktur ett samarbete mellan polaritondioder och vdW-material som har ovanliga magnetiska egenskaper, stark supraledande förmÄga och/eller icke-standardiserade topologiska övergÄngar. Genom att kombinera dessa kan man fÄ en helt ny typ av enhet vars egenskaper kan vara ganska ovanliga. Men som forskarna sÀger, det Àr Àmnet för en annan studie.
Bild â1
PÄ bilden 1a visar en tredimensionell modell av enheten som liknar en lagerkaka. Som den övre spegeln i den optiska resonatorn fungerar ett lager av silver, medan ett 12-lagers distribuerad fungerar som den nedre. braggreflektor*. I det aktiva omrÄdet finns en tunneleringszon.
Distribuerad braggreflektor* Àr en struktur av flera lager dÀr materialets brytningsindex periodiskt förÀndras vinkelrÀtt mot lagren.
Tunneleringszonen bestÄr av en vdW-heterostruktur som bestÄr av ett monolager WS2 (ljuskÀlla), tunna lager av hBN pÄ bÄda sidor om monolagret (tunneleringsbarriÀr) och grafen (transparenta elektroder för injektion av elektroner och hÄl).
Ytterligare tvÄ WS2-lager har lagts till för att öka den totala styrkan hos generatorn och dÀrmed för att fÄ en mer framtrÀdande splittning av Rabi-polaritonzillag.
Resonatorns driftlÀge justeras genom att Àndra tjockleken pÄ PMMA-lagret (polymetylmetakrylat, dvs. plexiglas).
Bilden 1b detta Àr en bild av vdW-heterostrukturen pÄ ytan av den distribuerade braggreflektorn. PÄ grund av den höga reflektionsförmÄgan hos den distribuerade braggreflektorn, som utgör det undre lagret, har tunneleringszonen pÄ bilden ett mycket lÄgt reflektionskontrast, vilket gör att endast det övre tjocka hBN-lagret syns.
Diagram 1C representerar vdW heterostrukturens diagramomrÄde i tunnelinggeometri vid förskjutning. Elektroluminescens (EL) observeras över ett tröskelvÀrde, nÀr Fermi-nivÄn i det övre (nedre) grafenet Àr förskjuten över (under) ledningszonen (valenszonen) i WS2, vilket tillÄter en elektron (hÄl) att tunnla in i ledningszonen (valenszonen) i WS2. Detta skapar gynnsamma förhÄllanden för bildandet av excitoner i WS2-lagret med efterföljande radiativ (utstrÄlande) rekombination av elektron-hÄl.
Till skillnad frÄn ljuskÀllor baserade pÄ p-n-övergÄngar, som krÀver dopning för att fungera, beror EL frÄn tunnelanordningar uteslutande pÄ tunneltströmmen, vilket möjliggör att undvika optiska förluster och eventuella förÀndringar i specifikt motstÄnd orsakade av temperaturförÀndringar. Samtidigt tillÄter tunnlararkitekturen ett mycket större utstrÄlningsomrÄde jÀmfört med dikhalkogenid-enheter baserade pÄ p-n-övergÄngar.
Bilden 1d demonstrerar de elektriska egenskaperna hos tunneltÀthet (J) som funktion av förskjuten spÀnning (V) mellan grafenelektroder. Den plötsliga ökningen av strömmen för bÄde positiv och negativ spÀnning indikerar uppkomsten av tunneltström genom strukturen. Vid optimal tjocklek av hBN-lager (~2 nm) observeras en betydande tunneltström och ökad livslÀngd för inbÀddade bÀrare för utstrÄlande rekombination.
Innan elektroluminescensexperimentet genomfördes en karakterisering av enheten angÄende reflektans av vitt ljus med vinkelupplösning för att bekrÀfta förekomsten av stark koppling av excitoner.
Bild â2
PÄ bilden 2a visas reflektionsspektrum med vinkelupplösning frÄn enhetens aktiva omrÄde, som visar ett beteende som förhindrar korsning. Foto-luminescens (PL) observerades ocksÄ vid icke-resonant excitation (460 nm), vilket visar intensiv utsÀndning frÄn den nedre polaritongrenen och svagare utsÀndning frÄn den övre polaritongrenen (2b).
PĂ„ 2s visar dispersionen av elektroluminescens av polaritonen vid en infogning av 0,1 ÎŒA/mkÂČ. Rabi-split och resonatorbortfall, erhĂ„llna genom justering av oscillerarmodern (solid och streckad vit linje) till det elektroluminescente experimentet, uppgĂ„r till ungefĂ€r 33 meV respektive -13 meV. Resonatorbortfallet definieras som ÎŽ = Ec â Ex, dĂ€r Ex Ă€r excitonens energi och Ec betecknar energin hos fotonen i resonatorn med noll impuls i planet. Grafen 2d Ă€r ett snitt vid olika vinklar av den elektroluminescenta dispersionen. HĂ€r syns tydligt dispersionen av de övre och undre polaritonsmoderna med antiplockande som sker i excitonens resonansomrĂ„de.
Bild nr 3
NÀr tunnelingströmmen ökar ökar den totala intensiteten av EL. Svag EL frÄn polaritoner observeras nÀra tröskelförskjutningen (3a), medan en tillrÀckligt stor förskjutning över tröskeln gör att polariton-emissionen blir distinkt (3b).
PÄ bilden 3s visar en polÀr graf över intensiteten av EL som funktion av vinkeln och illustrerar en smal emissionskonus pÄ ± 15°. StrÄldiagrammet förblir praktiskt taget oförÀndrat för bÄde den lÀgsta (grön kurva) och högsta (orange kurva) exciteringsströmmen. PÄ 3d visas den integrerade intensiteten vid olika rörliga tunnelingströmmar, vilket, som visas i grafen, Àr ganska linjÀrt. DÀrför kan en ökning av strömmen till höga nivÄer leda till en framgÄngsrik spridning av polaritoner lÀngs den nedre grenen och skapa ett extremt smalt strÄldiagram pÄ grund av genereringen av polaritoner. Men i detta experiment var det inte möjligt att uppnÄ detta pÄ grund av begrÀnsningen relaterad till den dielektriska genombrottningen av tunnelingbarriÀren hBN.
De röda punkterna pĂ„ 3d visar mĂ€tningar av en annan parameter â extern kvantverkningsgrad*.
Kvantverkningsgrad* Àr förhÄllandet mellan antalet fotoner vars absorption ledde till bildandet av kvasi-partiklar till det totala antalet absorberade fotoner.
Den observerade kvanteffektiviteten Àr jÀmförbar med den hos andra polaritonljuskÀllor (baserade pÄ organiska material, kolrör, etc.). Det Àr vÀrt att notera att tjockleken pÄ det ljusutsÀndande lagret i den undersökta enheten bara Àr 0,7 nm, medan detta vÀrde Àr mycket högre i andra enheter. Forskare döljer inte att kvanteffektiviteten hos deras enhet inte Àr den högsta, men det gÄr att öka den genom att placera fler monolager inuti tunnelzonen, separerade av tunna lager hBN.
Forskarna undersökte ocksÄ pÄverkan av störningar i resonatorn pÄ den elektroluminescenta polaritonen genom att tillverka en annan enhet med en starkare störning (- 43 meV).
Bild nr 4
PÄ bilden 4a Spektrerna för den elektroluminescenta emissionen med vinkellösning frÄn en sÄdan enhet vid en strömtÀthet av 0,2 ”A/mk2 visas. PÄ grund av den starka störningen visar enheten ett tydligt flaskhalseffekt i den elektroluminescenta emissionen, med maximalt utslÀpp som sker under en stor vinkel. Detta bekrÀftas ytterligare pÄ bilden 4b, dÀr polÀra diagram för denna enhet jÀmförs med den första (2s).
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i .
Epilog
SÄledes bekrÀftar alla ovanstÄende observationer och mÀtningar förekomsten av polariton elektroluminescens i vdW heterostrukturen som Àr inbyggd i den optiska mikror resonatorn. Tunnelarkitekturen i den undersökta enheten möjliggör injektion av elektroner/hÄl och rekombination i monolagret WS2, som fungerar som ljuskÀlla. Det Àr viktigt att tunnelmekanismen i enheten inte krÀver dopning av komponenter, vilket minimerar förluster och olika förÀndringar kopplade till temperaturen.
Det har konstaterats att den elektroluminescenta emissionen har hög riktbarhet tack vare resonatorns dispersionsegenskaper. DÀrför kommer en förbÀttring av resonatorns kvalitet och en högre strömförsörjning att öka effektiviteten hos mikror resonatorljuskÀllor samt elektriskt kontrollerade mikror resonatorpolariton och fotonlasrar.
Detta arbete bekrÀftade ytterligare att transitionella metalldihalkogener faktiskt har unika egenskaper och en mycket bred tillÀmpningspotential.
SÄdana studier och innovativa uppfinningar kan ha stor pÄverkan pÄ utvecklingen och spridningen av datatransmissionstekniker med hjÀlp av lysdioder och ljus i allmÀnhet. En sÄdan futuristisk teknologi Àr Li-Fi, som kan erbjuda avsevÀrt högre hastigheter Àn dagens Wi-Fi.
Tack för uppmĂ€rksamheten, förbliv nyfikna och ha en bra arbetsvecka, grabbar! đ
Tack för att ni stannar med oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se mer intressant material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till vÀnner, 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
