เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกได้ทำสองสิ่ง นั่นคือ การประดิษฐ์และการปรับปรุง และบางครั้งก็ไม่ชัดเจนว่าสิ่งเหล่านี้ยากกว่ากัน ยกตัวอย่างเช่น LED ธรรมดาซึ่งดูเรียบง่ายและธรรมดาสำหรับเราจนเราไม่ใส่ใจกับมัน แต่ถ้าคุณเพิ่ม excitons เล็กน้อยของ polaritons และทังสเตนไดซัลไฟด์เพื่อลิ้มรส LED จะไม่ธรรมดาอีกต่อไป คำศัพท์ที่คลุมเครือทั้งหมดนี้เป็นชื่อของส่วนประกอบที่ไม่ธรรมดาอย่างยิ่ง ซึ่งการรวมกันนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์จาก City College of New York สามารถสร้างระบบใหม่ที่สามารถส่งข้อมูลได้อย่างรวดเร็วโดยใช้แสง การพัฒนานี้จะช่วยปรับปรุงเทคโนโลยี Li-Fi อะไรคือส่วนผสมของเทคโนโลยีใหม่ที่ใช้ สูตรสำหรับ "จาน" นี้คืออะไร และประสิทธิภาพของ LED exciton-polariton ใหม่เป็นอย่างไร รายงานของนักวิทยาศาสตร์จะบอกเราเกี่ยวกับเรื่องนี้ ไป.
พื้นฐานการวิจัย
หากทุกอย่างง่ายขึ้นด้วยคำเดียวแสดงว่าเทคโนโลยีนี้เบาและทุกอย่างเชื่อมโยงกัน ประการแรก โพลาริตอนซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนมีปฏิสัมพันธ์กับการกระตุ้นปานกลาง (โฟนัน, เอ็กซิตอน, พลาสมอน, แมกนอน ฯลฯ) ประการที่สอง excitons คือการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ในไดอิเล็กตริก สารกึ่งตัวนำ หรือโลหะ ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านคริสตัลและไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าและมวล
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่า quasiparticles เหล่านี้ชอบความเย็นมาก กิจกรรมของพวกมันสามารถสังเกตได้เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งจำกัดการใช้งานจริงอย่างมาก แต่ก่อนนั้น ในงานนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถเอาชนะข้อจำกัดด้านอุณหภูมิและใช้งานได้ที่อุณหภูมิห้อง
คุณสมบัติหลักของโพลาริตอนคือความสามารถในการผูกโฟตอนเข้าด้วยกัน โฟตอนที่ชนกับอะตอมของรูบิเดียมจะได้รับมวล ในกระบวนการของการชนกันหลายครั้ง โฟตอนจะกระเด็นออกจากกัน แต่ในบางกรณี โฟตอนจะก่อตัวเป็นคู่และแฝดสาม ในขณะที่สูญเสียองค์ประกอบอะตอมที่แสดงโดยอะตอมของรูบิเดียม
แต่การที่จะทำอะไรกับแสงได้ต้องถูกจับให้ได้ สำหรับสิ่งนี้จำเป็นต้องใช้ตัวสะท้อนแสงซึ่งเป็นการรวมกันขององค์ประกอบสะท้อนแสงที่ก่อตัวเป็นคลื่นแสงนิ่ง
ในการศึกษานี้ quasiparticles ที่ผิดปกติมากยิ่งขึ้น exciton-polaritons ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งของ excitons และโฟตอนที่ติดอยู่ในช่องแสงมีบทบาทสำคัญ
อย่างไรก็ตามนี่ยังไม่เพียงพอเนื่องจากจำเป็นต้องมีพื้นฐานทางวัตถุ และผู้ที่หากไม่ใช่โลหะทรานซิชันไดชาลโคเจนไนด์ (TDM) จะมีบทบาทนี้ดีกว่าตัวอื่น เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น ชั้นเดียวของ WS2 (ทังสเตนไดซัลไฟด์) ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุเปล่งแสง ซึ่งมีพลังงานจับ exciton ที่น่าประทับใจ ซึ่งกลายเป็นหนึ่งในเกณฑ์หลักสำหรับการเลือกฐานของวัสดุ
การรวมกันขององค์ประกอบทั้งหมดที่อธิบายไว้ข้างต้นทำให้สามารถสร้างโพลาริตอน LED ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าซึ่งทำงานที่อุณหภูมิห้องได้
ในการติดตั้งอุปกรณ์นี้ WS2 monolayer ตั้งอยู่ระหว่างสิ่งกีดขวางในอุโมงค์โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมบาง ๆ (hBN) โดยมีชั้นกราฟีนทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด
ผลการศึกษา
WS2 ซึ่งเป็นไดแชลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชันยังเป็นวัสดุแวนเดอร์วาลส์ (vdW) ที่บางระดับอะตอม สิ่งนี้บ่งบอกถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้า แสง ทางกล และความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์
เมื่อใช้ร่วมกับวัสดุ vdW อื่นๆ เช่น กราฟีน (เป็นตัวนำ) และโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN เป็นฉนวน) ทำให้สามารถใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึง LED ได้ การรวมกันของวัสดุ van der Waals และโพลาริตอนที่คล้ายกันได้เกิดขึ้นแล้วตามที่นักวิจัยกล่าวอย่างตรงไปตรงมา อย่างไรก็ตาม ในงานเขียนก่อนหน้านี้ ระบบที่ได้นั้นซับซ้อนและไม่สมบูรณ์ และไม่ได้เปิดเผยศักยภาพทั้งหมดของแต่ละองค์ประกอบ
หนึ่งในแนวคิดที่ได้รับแรงบันดาลใจจากรุ่นก่อนคือการใช้แพลตฟอร์มวัสดุสองมิติ ในกรณีนี้ เป็นไปได้ที่จะติดตั้งอุปกรณ์ที่มีชั้นการแผ่รังสีบางระดับอะตอมที่สามารถรวมเข้ากับวัสดุ vdW อื่นๆ ที่ทำหน้าที่เป็นหน้าสัมผัส (กราฟีน) และแผงกั้นการขุดอุโมงค์ (hBN) นอกจากนี้ ความเป็นสองมิตินี้ทำให้สามารถรวมโพลาริตัน LED กับวัสดุ vdW ที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ผิดปกติ ตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่ง และ/หรือการถ่ายโอนทอพอโลยีที่ไม่ได้มาตรฐาน อันเป็นผลมาจากการรวมกันดังกล่าว คุณจะได้รับอุปกรณ์ประเภทใหม่ทั้งหมด ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวอาจผิดปกติอย่างมาก แต่ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า นี่เป็นหัวข้อสำหรับการศึกษาอื่น
รูปภาพ #1
บนภาพ 1a แสดงแบบจำลองสามมิติของอุปกรณ์ที่มีลักษณะคล้ายเลเยอร์เค้ก กระจกด้านบนของตัวสะท้อนแสงเป็นชั้นสีเงิน และด้านล่างเป็นชั้นกระจาย 12 ชั้น แผ่นสะท้อนแสง Bragg*. มีโซนอุโมงค์ในพื้นที่ที่ใช้งานอยู่
ตัวสะท้อนแสงแบรกก์แบบกระจาย* - โครงสร้างของหลายชั้นซึ่งดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุจะเปลี่ยนเป็นระยะในแนวตั้งฉากกับชั้นต่างๆ
โซนอุโมงค์ประกอบด้วยโครงสร้าง heterostructure vdW ซึ่งประกอบด้วยโมโนเลเยอร์ WS2 (ตัวปล่อยแสง) ชั้น hBN บาง ๆ ที่ทั้งสองด้านของโมโนเลเยอร์ (ตัวกั้นอุโมงค์) และกราฟีน (อิเล็กโทรดโปร่งใสสำหรับการนำอิเล็กตรอนและรูเข้ามา)
มีการเพิ่มเลเยอร์ WS2 อีกสองชั้นเพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยรวมของออสซิลเลเตอร์ และด้วยเหตุนี้จึงมีการแยก Rabi ของสถานะโพลาริตอนที่ชัดเจนยิ่งขึ้น
โหมดการทำงานของตัวสะท้อนถูกปรับโดยการเปลี่ยนความหนาของชั้น PMMA (โพลิเมทิลเมทาคริเลต เช่น ลูกแก้ว)
ภาพ 1b นี่คือภาพรวมของโครงสร้าง heterostructure vdW บนพื้นผิวของตัวสะท้อนแสง Bragg แบบกระจาย เนื่องจากการสะท้อนแสงสูงของตัวสะท้อนแสง Bragg ซึ่งเป็นชั้นล่างสุด โซนอุโมงค์ในภาพจึงมีคอนทราสต์การสะท้อนต่ำมาก ซึ่งเป็นผลมาจากการสังเกตเฉพาะชั้นหนาบนของ hBN เท่านั้น
กำหนด 1s แสดงไดอะแกรมโซนของโครงสร้าง heterostructure vdW ในรูปทรงเรขาคณิตของอุโมงค์ภายใต้การกระจัด อิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์ (EL) อยู่เหนือแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์เมื่อระดับ Fermi ของกราฟีนด้านบน (ด้านล่าง) เลื่อนไปด้านบน (ด้านล่าง) แถบการนำไฟฟ้า WS2 (วาเลนซ์) ทำให้อิเล็กตรอน (รู) เข้าไปในอุโมงค์การนำไฟฟ้า WS2 (วาเลนซ์) วงดนตรี. สิ่งนี้สร้างเงื่อนไขที่เอื้ออำนวยต่อการก่อตัวของ excitons ในชั้น WS2 ตามด้วยการรวมตัวกันของรูอิเล็กตรอนแบบแผ่รังสี (แผ่รังสี)
ไม่เหมือนกับตัวปล่อยแสงที่ใช้จุดเชื่อมต่อ pn ซึ่งต้องใช้การเติมสารกระตุ้นในการทำงาน EL จากอุปกรณ์อุโมงค์ขึ้นอยู่กับกระแสในอุโมงค์เท่านั้น ซึ่งหลีกเลี่ยงการสูญเสียทางแสงและการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ในขณะเดียวกัน สถาปัตยกรรมของอุโมงค์ช่วยให้มีพื้นที่การแผ่รังสีที่กว้างกว่ามาก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไดชาลโคเจนไนด์ตามจุดแยก pn
ภาพ 1d แสดงให้เห็นถึงลักษณะทางไฟฟ้าของความหนาแน่นกระแสในอุโมงค์ (J) เป็นฟังก์ชันของแรงดันไบอัส (V) ระหว่างขั้วไฟฟ้ากราฟีน กระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วสำหรับแรงดันทั้งบวกและลบบ่งชี้ถึงการเกิดขึ้นของกระแสอุโมงค์ผ่านโครงสร้าง ที่ความหนาที่เหมาะสมของชั้น hBN (~2 นาโนเมตร) กระแสการขุดอุโมงค์ที่มีนัยสำคัญและอายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้นของตัวพาที่ฝังไว้สำหรับการรวมตัวกันอีกครั้งของการแผ่รังสี
ก่อนการทดลองอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์ อุปกรณ์นี้มีลักษณะการสะท้อนแสงสีขาวพร้อมความละเอียดเชิงมุมเพื่อยืนยันการมีอยู่ของการจับ exciton ที่แข็งแรง
รูปภาพ #2
บนภาพ 2a สเปกตรัมการสะท้อนแสงที่แก้ไขมุมจากบริเวณที่ใช้งานของอุปกรณ์จะแสดงขึ้น ซึ่งแสดงพฤติกรรมต่อต้านการข้าม โฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) ถูกสังเกตด้วยการกระตุ้นแบบไม่เรโซแนนซ์ (460 นาโนเมตร) ซึ่งแสดงการแผ่รังสีที่รุนแรงจากกิ่งล่างของโพลาริตอนและการปล่อยแสงที่อ่อนกว่าจากกิ่งบนของโพลาริตอน (2b).
На 2s การกระจายตัวของอิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์ของโพลาริตอนแสดงสำหรับการแทรก 0.1 μA/μm2 การแยก Rabi และการแยกตัวสะท้อนที่ได้รับจากการปรับโหมดออสซิลเลเตอร์ (เส้นทึบและเส้นประสีขาว) กับการทดลองอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์คือ ～33 meV และ ～-13 meV ตามลำดับ การแยกตัวสะท้อนถูกกำหนดเป็น δ = Ec − Ex โดยที่ Ex คือพลังงานเอกซิตอน และ Ec คือพลังงานโฟตอนของเรโซเนเตอร์ที่มีโมเมนตัมในระนาบเป็นศูนย์ กำหนดการ 2d มันเป็นการตัดมุมที่แตกต่างจากการกระจายตัวของอิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์ ที่นี่เราสามารถเห็นการกระจายของโหมดโพลาไรต์บนและล่างได้อย่างชัดเจนพร้อมการต่อต้านการข้ามที่เกิดขึ้นในเขตเรโซแนนซ์ exciton
รูปภาพ #3
เมื่อกระแสอุโมงค์เพิ่มขึ้น ความเข้ม EL ทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น EL ที่อ่อนแอจากโพลาริตอนถูกสังเกตใกล้กับการกระจัดของธรณีประตู (3a) ในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงที่มากพอสมควรเหนือเกณฑ์ การปล่อยโพลาริตอนจะแตกต่างอย่างชัดเจน (3b).
บนภาพ 3s แสดงกราฟเชิงขั้วของความเข้ม EL เป็นฟังก์ชันของมุม โดยแสดงรูปกรวยการแผ่รังสีแคบที่ ± 15° รูปแบบการแผ่รังสียังคงไม่เปลี่ยนแปลงสำหรับทั้งกระแสกระตุ้นต่ำสุด (เส้นโค้งสีเขียว) และสูงสุด (เส้นโค้งสีส้ม) บน 3d ความเข้มรวมจะแสดงสำหรับกระแสอุโมงค์เคลื่อนที่ต่างๆ ซึ่งดังที่เห็นได้จากกราฟ ค่อนข้างเป็นเส้นตรง ดังนั้นการเพิ่มกระแสให้มีค่าสูงสามารถนำไปสู่การกระเจิงของโพลาริตอนตามสาขาด้านล่างได้สำเร็จและสร้างรูปแบบการแผ่รังสีที่แคบมากเนื่องจากการสร้างโพลาริตอน อย่างไรก็ตาม ในการทดลองนี้ ไม่สามารถทำได้เนื่องจากข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการสลายไดอิเล็กตริกของสิ่งกีดขวางการขุดอุโมงค์ hBN
จุดสีแดงบน 3d แสดงการวัดตัวบ่งชี้อื่น - ภายนอก ประสิทธิภาพควอนตัม*.
ประสิทธิภาพควอนตัม* คืออัตราส่วนของจำนวนโฟตอนที่การดูดกลืนทำให้เกิดการก่อตัวของอนุภาคควอซิพัทเทอร์ต่อจำนวนโฟตอนที่ดูดกลืนทั้งหมด
ประสิทธิภาพควอนตัมที่สังเกตได้เทียบได้กับโพลาริตัน LED อื่นๆ (ขึ้นอยู่กับวัสดุอินทรีย์ ท่อคาร์บอน ฯลฯ) ควรสังเกตว่าความหนาของชั้นเปล่งแสงในอุปกรณ์ที่กำลังศึกษาอยู่ที่ 0.7 นาโนเมตรเท่านั้น ในขณะที่อุปกรณ์อื่นค่านี้จะสูงกว่ามาก นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ปิดบังข้อเท็จจริงที่ว่าดัชนีประสิทธิภาพควอนตัมของอุปกรณ์นั้นไม่ได้สูงที่สุด แต่สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการวาง monolayers จำนวนมากขึ้นภายในโซนอุโมงค์ โดยคั่นด้วย hBN ชั้นบางๆ
นักวิจัยยังได้ทดสอบอิทธิพลของรีโซเนเตอร์ detuning บน polariton EL โดยสร้างอุปกรณ์อื่น แต่มีการ detuning ที่แรงกว่า (-43 meV)
รูปภาพ #4
บนภาพ 4a EL spectra แสดงด้วยความละเอียดเชิงมุมของอุปกรณ์ดังกล่าวที่ความหนาแน่นกระแส 0.2 μA/μm2 เนื่องจากการ Detuning ที่รุนแรง อุปกรณ์แสดงผลคอขวดที่เด่นชัดใน EL โดยมีการปล่อยสูงสุดในมุมกว้าง นี่เป็นการยืนยันเพิ่มเติมในภาพ 4bโดยที่ขั้วของอุปกรณ์นี้จะถูกเปรียบเทียบกับอันแรก (2s).
สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความแตกต่างของการศึกษาฉันขอแนะนำให้ดู .
ถ้อยคำส
ดังนั้น การสังเกตและการวัดทั้งหมดที่อธิบายไว้ข้างต้นจึงยืนยันการมีอยู่ของโพลาริตอนอิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์ในโครงสร้าง heterostructure vdW ที่ฝังอยู่ในโพรงขนาดเล็กแบบออปติก สถาปัตยกรรมอุโมงค์ของอุปกรณ์ภายใต้การศึกษาช่วยให้มั่นใจได้ถึงการนำอิเล็กตรอน/รูและการรวมตัวกันอีกครั้งในโมโนเลเยอร์ WS2 ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวปล่อยแสง สิ่งสำคัญคือกลไกอุโมงค์ของอุปกรณ์ไม่จำเป็นต้องมีการผสมส่วนประกอบ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียและการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิให้น้อยที่สุด
พบว่า EL มีทิศทางสูงเนื่องจากการกระจายตัวของเรโซเนเตอร์ ดังนั้น การปรับปรุงปัจจัยด้านคุณภาพของตัวสะท้อนและการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของ LED ไมโครคาวิตี้ เช่นเดียวกับโพลาริตอนไมโครคาวิตีและโฟตอนเลเซอร์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า
งานนี้ยืนยันอีกครั้งว่าไดชาลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชันมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวและการใช้งานที่หลากหลายมาก
การวิจัยและสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นนวัตกรรมดังกล่าวสามารถมีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนาและการเผยแพร่เทคโนโลยีการรับส่งข้อมูลผ่าน LED และแสง เทคโนโลยีแห่งอนาคตดังกล่าวรวมถึง Li-Fi ซึ่งสามารถให้ความเร็วที่เร็วกว่า Wi-Fi ที่มีอยู่ในปัจจุบันอย่างมาก
ขอบคุณสำหรับความสนใจ อยากรู้อยากเห็นและมีสัปดาห์ที่ดีทุกคน! 🙂
ขอบคุณที่อยู่กับเรา คุณชอบบทความของเราหรือไม่? ต้องการดูเนื้อหาที่น่าสนใจเพิ่มเติมหรือไม่ สนับสนุนเราโดยการสั่งซื้อหรือแนะนำให้เพื่อน ส่วนลด 30% สำหรับผู้ใช้ Habr ในอะนาล็อกที่ไม่ซ้ำใครของเซิร์ฟเวอร์ระดับเริ่มต้น ซึ่งเราคิดค้นขึ้นเพื่อคุณ: (ใช้ได้กับ RAID1 และ RAID10 สูงสุด 24 คอร์ และสูงสุด 40GB DDR4)
Dell R730xd ถูกกว่า 2 เท่า? ที่นี่ที่เดียวเท่านั้น ในเนเธอร์แลนด์! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - จาก $99! อ่านเกี่ยวกับ
ที่มา: will.com