Kwa miaka mingi, wanasayansi kutoka kote ulimwenguni wamekuwa wakifanya mambo mawili - kuvumbua na kuboresha. Na wakati mwingine haijulikani ni ipi kati ya hizi ni ngumu zaidi. Chukua, kwa mfano, LED za kawaida, ambazo zinaonekana kuwa rahisi na za kawaida kwetu kwamba hatuzingatii. Lakini ikiwa unaongeza baadhi ya excitons, pinch ya polaritons na tungsten disulfide kwa ladha, LEDs hazitakuwa tena prosaic. Maneno haya yote yasiyoeleweka ni majina ya vifaa visivyo vya kawaida, mchanganyiko ambao uliwaruhusu wanasayansi kutoka Chuo cha Jiji la New York kuunda mfumo mpya ambao unaweza kusambaza habari haraka sana kwa kutumia mwanga. Maendeleo haya yatasaidia kuboresha teknolojia ya Li-Fi. Ni nini hasa viungo vya teknolojia mpya iliyotumiwa, ni kichocheo gani cha "sahani" hii na ni ufanisi gani wa LED mpya ya exciton-polariton? Ripoti ya wanasayansi itatuambia kuhusu hili. Nenda.
Msingi wa utafiti
Ikiwa kila kitu kimerahisishwa kwa neno moja, basi teknolojia hii ni nyepesi na kila kitu kinachounganishwa nayo. Kwanza, polaritons, ambayo hutokea wakati photons kuingiliana na msisimko wa kati (phononi, excitons, plasmons, magnons, nk). Pili, msisimko ni msisimko wa elektroniki katika dielectri, semiconductor au chuma, inayohamia kupitia fuwele na haihusiani na uhamishaji wa malipo ya umeme na misa.
Ni muhimu kutambua kwamba quasiparticles hizi zinapenda sana baridi; shughuli zao zinaweza kuzingatiwa tu kwa joto la chini sana, ambalo linapunguza sana matumizi yao ya vitendo. Lakini hiyo ilikuwa hapo awali. Katika kazi hii, wanasayansi waliweza kuondokana na upungufu wa joto na kuzitumia kwenye joto la kawaida.
Kipengele kikuu cha polaritons ni uwezo wa kumfunga photons kwa kila mmoja. Picha zinazogongana na atomi za rubidiamu hupata wingi. Katika mchakato wa migongano mingi, fotoni zinaruka kutoka kwa kila mmoja, lakini katika hali nadra huunda jozi na triplets, huku ikipoteza sehemu ya atomiki inayowakilishwa na atomi ya rubidiamu.
Lakini ili kufanya kitu na mwanga, ni lazima kukamatwa. Kwa hili, resonator ya macho inahitajika, ambayo ni mchanganyiko wa mambo ya kutafakari ambayo huunda wimbi la mwanga lililosimama.
Katika utafiti huu, chembechembe zisizo za kawaida zaidi, exciton-polaritons, ambazo huundwa kwa sababu ya muunganisho wa nguvu wa vitu vya kufurahisha na fotoni zilizonaswa kwenye uso wa macho, huchukua jukumu muhimu.
Hata hivyo, hii haitoshi, kwa sababu msingi wa nyenzo ni muhimu, kwa kusema. Na ni nani, ikiwa sio mpito wa dichalcogenide ya chuma (TDM), atachukua jukumu hili bora kuliko wengine. Kwa usahihi zaidi, monolayer ya WS2 (tungsten disulfide) ilitumika kama nyenzo inayotoa, ambayo ina nguvu za kuvutia za msisimko, ambayo ikawa moja ya vigezo kuu vya kuchagua msingi wa nyenzo.
Mchanganyiko wa vipengele vyote vilivyoelezwa hapo juu ulifanya iwezekanavyo kuunda LED ya polariton iliyodhibitiwa na umeme inayofanya kazi kwenye joto la kawaida.
Ili kutekeleza kifaa hiki, WS2 monolayer iko kati ya vizuizi vyembamba vya tunnel ya boroni ya hexagonal (hBN) na tabaka za graphene zinazofanya kazi kama elektrodi.
Matokeo ya utafiti
WS2, ikiwa ni dichalcogenide ya mpito ya chuma, pia ni nyenzo nyembamba ya atomi ya van der Waals (vdW). Hii inaonyesha sifa zake za kipekee za umeme, macho, mitambo na mafuta.
Pamoja na vifaa vingine vya vdW, kama vile graphene (kama kondakta) na nitridi ya boroni ya hexagonal (hBN, kama kihami), vifaa vingi vya semiconductor vinavyodhibitiwa na umeme, ambavyo ni pamoja na LED, vinaweza kupatikana. Mchanganyiko sawa wa nyenzo za van der Waals na polaritoni tayari zimepatikana hapo awali, kama watafiti wanavyosema wazi. Hata hivyo, katika maandishi ya awali, mifumo iliyosababishwa ilikuwa ngumu na isiyo kamili, na haikufunua uwezo kamili wa kila moja ya vipengele.
Moja ya mawazo yaliyoongozwa na watangulizi ilikuwa matumizi ya jukwaa la nyenzo mbili-dimensional. Katika kesi hii, inawezekana kutekeleza vifaa vilivyo na tabaka nyembamba za atomi zinazoweza kuunganishwa na vifaa vingine vya vdW vinavyofanya kazi kama anwani (graphene) na vizuizi vya tunnel (hBN). Kwa kuongeza, hii ya pande mbili inafanya uwezekano wa kuchanganya LED za polariton na vifaa vya vdW na mali isiyo ya kawaida ya magnetic, superconductivity kali, na / au uhamisho usio wa kawaida wa topolojia. Kwa matokeo ya mchanganyiko huo, unaweza kupata aina mpya kabisa ya kifaa, mali ambayo inaweza kuwa isiyo ya kawaida sana. Lakini, kama wanasayansi wanasema, hii ni mada ya utafiti mwingine.
Picha #1
Kwenye picha 1 inaonyesha mfano wa tatu-dimensional wa kifaa kinachofanana na keki ya safu. Kioo cha juu cha resonator ya macho ni safu ya fedha, na ya chini ni safu ya 12 iliyosambazwa. Bragg reflector*. Kuna eneo la handaki katika eneo linalotumika.
Bragg Reflector Iliyosambazwa* - muundo wa tabaka kadhaa, ambayo index ya refractive ya nyenzo mara kwa mara hubadilika perpendicular kwa tabaka.
Eneo la handaki lina muundo wa vdW unaojumuisha monolayer ya WS2 (emitter ya mwanga), tabaka nyembamba za hBN pande zote mbili za monolayer (kizuizi cha handaki) na graphene (electrodes ya uwazi kwa kuanzishwa kwa elektroni na mashimo).
Tabaka mbili zaidi za WS2 ziliongezwa ili kuongeza nguvu ya jumla ya oscillator na hivyo kuwa na mgawanyiko wa Rabi unaojulikana zaidi wa majimbo ya polaritoni.
Njia ya uendeshaji ya resonator inarekebishwa kwa kubadilisha unene wa safu ya PMMA (polymethyl methacrylate, yaani plexiglass).
Picha 1b hii ni picha ya muundo wa vdW kwenye uso wa kiakisi cha Bragg kilichosambazwa. Kwa sababu ya uakisi wa juu wa kiakisi cha Bragg kilichosambazwa, ambacho ni safu ya chini, eneo la handaki kwenye picha lina tofauti ya kutafakari ya chini sana, kama matokeo ambayo safu nene ya juu tu ya hBN inazingatiwa.
Ratiba 1c inawakilisha mchoro wa eneo la muundo wa vdW katika jiometri ya handaki chini ya uhamishaji. Electroluminescence (EL) huzingatiwa juu ya volti ya kizingiti wakati kiwango cha Fermi cha graphene ya juu (chini) kinapohamishwa juu (chini) mkanda wa upitishaji wa WS2 (valence), kuruhusu elektroni (shimo) kupenyeza kwenye upitishaji wa WS2 (valence) bendi. Hii inaunda hali nzuri kwa uundaji wa vichocheo katika safu ya WS2 ikifuatiwa na ujumuishaji wa shimo la elektroni la mionzi.
Tofauti na emitters ya mwanga kulingana na makutano ya pn, ambayo yanahitaji doping kufanya kazi, EL kutoka kwa vifaa vya tunnel inategemea tu mkondo wa tunnel, ambayo huepuka hasara za macho na mabadiliko yoyote katika kupinga yanayosababishwa na mabadiliko ya joto. Wakati huo huo, usanifu wa tunnel inaruhusu eneo kubwa zaidi la mionzi ikilinganishwa na vifaa vya dichalcogenide kulingana na makutano ya pn.
Picha 1d inaonyesha sifa za umeme za wiani wa sasa wa tunnel (J) kama kazi ya voltage ya upendeleo (V) kati ya elektroni za graphene. Kuongezeka kwa kasi kwa sasa kwa voltage chanya na hasi inaonyesha tukio la sasa ya tunnel kupitia muundo. Katika unene bora wa tabaka za hBN (~ 2 nm), mkondo mkubwa wa tunnel na ongezeko la maisha ya wabebaji waliowekwa kwa ujumuishaji wa mionzi huzingatiwa.
Kabla ya jaribio la electroluminescence, kifaa kilikuwa na sifa ya kuakisi mwanga mweupe na azimio la angular ili kuthibitisha kuwepo kwa msisimko mkali.
Picha #2
Kwenye picha 2 spectra ya kuakisi iliyotatuliwa kwa pembe kutoka eneo amilifu la kifaa huonyeshwa, kuonyesha tabia ya kupinga kuvuka. Photoluminescence (PL) pia ilizingatiwa na msisimko usio na resonant (460 nm), ikionyesha utoaji mkali kutoka kwa tawi la chini la polaritoni na utoaji dhaifu kutoka kwa tawi la juu la polaritoni (2b).
Cha 2c utawanyiko wa electroluminescence ya polariton unaonyeshwa kwa kuingizwa kwa 0.1 ΞΌA/ΞΌm2. Mgawanyiko wa Rabi na utenganishaji wa resonator uliopatikana kwa kuweka modi za oscillator (laini thabiti na nyeupe yenye vitone) kwenye jaribio la electroluminescence ni ο½33 meV na ο½-13 meV, mtawalia. Utenganishaji wa resonator hufafanuliwa kama Ξ΄ = Ec β Ex, ambapo Ex ni nishati ya msisimko na Ec ni nishati ya fotoni ya resonator yenye kasi ya sifuri ndani ya ndege. Ratiba 2d ni kukatwa kwa pembe tofauti kutoka kwa utawanyiko wa electroluminescent. Hapa mtu anaweza kuona kwa uwazi mtawanyiko wa njia za juu na chini za polaritoni na anticrossing inayotokea katika eneo la msisimko wa resonance.
Picha #3
Kadiri mkondo wa tunnel unavyoongezeka, nguvu ya jumla ya EL huongezeka. EL dhaifu kutoka kwa polaritons huzingatiwa karibu na upendeleo wa kizingiti (3), wakati kwa mabadiliko makubwa ya kutosha juu ya kizingiti, utoaji wa polaritoni huwa tofauti (3b).
Kwenye picha 3c inaonyesha grafu ya polar ya ukubwa wa EL kama utendaji wa pembe, inayoonyesha koni nyembamba ya utoaji wa Β± 15Β°. Mchoro wa mionzi bado haujabadilika kwa kiwango cha chini zaidi (curve ya kijani kibichi) na upeo wa juu (curve ya machungwa) ya sasa ya msisimko. Washa 3d nguvu iliyojumuishwa inaonyeshwa kwa mikondo kadhaa ya kusonga ya handaki, ambayo, kama inavyoonekana kutoka kwa grafu, ni ya mstari kabisa. Kwa hivyo, kuongeza sasa kwa viwango vya juu kunaweza kusababisha kutawanyika kwa mafanikio ya polaritons kando ya tawi la chini na kuunda muundo wa mionzi nyembamba sana kwa sababu ya kizazi cha polaritoni. Hata hivyo, katika jaribio hili, hii haikuwezekana kutokana na upungufu unaohusishwa na kuvunjika kwa dielectric ya kizuizi cha tunnel ya hBN.
dots nyekundu juu 3d onyesha vipimo vya kiashiria kingine - nje ufanisi wa kiasi*.
Ufanisi wa Quantum* ni uwiano wa idadi ya fotoni ambazo ufyonzwaji wake ulisababisha uundaji wa quasiparticles kwa jumla ya idadi ya fotoni zilizofyonzwa.
Ufanisi wa quantum unaozingatiwa unalinganishwa na ule wa LED za polariton (kulingana na vifaa vya kikaboni, zilizopo za kaboni, nk). Ikumbukwe kwamba unene wa safu ya kutoa mwanga katika kifaa chini ya utafiti ni 0.7 nm tu, wakati katika vifaa vingine thamani hii ni ya juu zaidi. Wanasayansi hawaficha ukweli kwamba index ya ufanisi wa quantum ya kifaa chao sio ya juu zaidi, lakini inaweza kuongezeka kwa kuweka idadi kubwa ya monolayers ndani ya eneo la tunnel, ikitenganishwa na tabaka nyembamba za hBN.
Watafiti pia walijaribu ushawishi wa resonator detuning kwenye polariton EL kwa kutengeneza kifaa kingine, lakini kwa detuning nguvu zaidi (-43 meV).
Picha #4
Kwenye picha 4 Mwonekano wa EL huonyeshwa kwa azimio la angular la kifaa kama hicho kwa wiani wa sasa wa 0.2 ΞΌA/ΞΌm2. Kwa sababu ya utengano mkali, kifaa kinaonyesha athari iliyotamkwa ya kizuizi katika EL na kiwango cha juu cha utoaji kikitokea kwa pembe kubwa. Hii inathibitishwa zaidi kwenye picha. 4b, ambapo sehemu za polar za kifaa hiki zinalinganishwa na za kwanza (2c).
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama .
Epilogue
Kwa hiyo, uchunguzi na vipimo vyote hapo juu vinathibitisha kuwepo kwa electroluminescence ya polariton katika heterostructure ya vdW iliyoingia kwenye microcavity ya macho. Usanifu wa handaki wa kifaa kinachochunguzwa huhakikisha kuanzishwa kwa elektroni/mashimo na kuunganishwa tena katika safu moja ya WS2, ambayo hutumika kama mtoaji wa mwanga. Ni muhimu kwamba utaratibu wa tunnel ya kifaa hauhitaji alloying ya vipengele, ambayo hupunguza hasara na mabadiliko mbalimbali yanayohusiana na joto.
Ilibainika kuwa EL ina mwelekeo wa juu kwa sababu ya mtawanyiko wa resonator. Kwa hiyo, kuboresha kipengele cha ubora wa resonator na ugavi wa juu wa sasa utaboresha ufanisi wa LED za microcavity, pamoja na polaritons za microcavity zinazodhibitiwa na umeme na lasers za photon.
Kazi hii kwa mara nyingine tena ilithibitisha kuwa dichalcogenides za mpito zina sifa za kipekee na anuwai ya matumizi.
Utafiti kama huo na uvumbuzi wa ubunifu unaweza kuathiri sana ukuzaji na usambazaji wa teknolojia za upitishaji data kupitia taa za LED na taa yenyewe. Teknolojia kama hizo za siku zijazo ni pamoja na Li-Fi, ambayo inaweza kutoa kasi ya haraka zaidi kuliko Wi-Fi inayopatikana sasa.
Asante kwa umakini wako, endelea kutaka kujua na uwe na wiki njema kila mtu! π
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, Punguzo la 30% kwa watumiaji wa Habr kwenye analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo tulikutengenezea: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd mara 2 nafuu? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com