Sa loob ng maraming taon, ang mga siyentipiko mula sa buong mundo ay gumagawa ng dalawang bagay - ang pag-imbento at pagpapabuti. At kung minsan ay hindi malinaw kung alin ang mas mahirap. Kunin, halimbawa, ang mga ordinaryong LED, na tila napakasimple at karaniwan sa atin na hindi man lang natin pinapansin. Ngunit kung magdagdag ka ng ilang mga excitons, isang kurot ng mga polariton at tungsten disulfide sa panlasa, ang mga LED ay hindi na masyadong prosaic. Ang lahat ng mga abstruse na terminong ito ay ang mga pangalan ng lubhang hindi pangkaraniwang mga bahagi, ang kumbinasyon nito ay nagbigay-daan sa mga siyentipiko mula sa City College of New York na lumikha ng isang bagong sistema na may kakayahang magpadala ng impormasyon nang napakabilis gamit ang liwanag. Makakatulong ang pag-unlad na ito na mapabuti ang teknolohiya ng Li-Fi. Anong mga eksaktong sangkap ng bagong teknolohiya ang ginamit, ano ang recipe para sa "ulam" na ito at ano ang kahusayan ng pagpapatakbo ng bagong exciton-polariton LED? Sasabihin sa atin ng ulat ng mga siyentipiko ang tungkol dito. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Kung pasimplehin natin ang lahat hanggang sa isang salita, kung gayon ang teknolohiyang ito ay magaan at lahat ng konektado dito. Una, ang mga polariton, na lumitaw kapag ang mga photon ay nakikipag-ugnayan sa mga paggulo ng daluyan (phonons, excitons, plasmons, magnons, atbp.). Pangalawa, ang mga exciton ay mga electronic excitations sa isang dielectric, semiconductor o metal na lumilipat sa buong kristal at hindi nauugnay sa paglilipat ng electrical charge at masa.
Mahalagang tandaan na ang mga quasiparticle na ito ay gustung-gusto ang malamig, i.e. Ang kanilang aktibidad ay maaari lamang maobserbahan sa napakababang temperatura, na lubos na naglilimita sa kanilang praktikal na aplikasyon. Pero dati yun. Sa gawaing ito, nalampasan ng mga siyentipiko ang limitasyon ng temperatura at ginamit ang mga ito sa temperatura ng silid.
Ang pangunahing tampok ng mga polariton ay ang kakayahang magbigkis ng mga photon sa bawat isa. Ang mga photon na nagbabanggaan sa rubidium atoms ay nakakakuha ng masa. Sa proseso ng paulit-ulit na banggaan, ang mga photon ay tumalbog sa isa't isa, ngunit sa mga bihirang kaso sila ay bumubuo ng mga pares at triplets, habang nawawala ang atomic component na kinakatawan ng rubidium atom.
Ngunit upang makagawa ng isang bagay na may liwanag, kailangan mong mahuli ito. Para dito, kinakailangan ang isang optical resonator, na isang hanay ng mga elemento ng mapanimdim na bumubuo ng isang standing light wave.
Sa pag-aaral na ito, ang pinakamahalagang papel ay ginagampanan ng higit pang hindi pangkaraniwang mga quasiparticle - mga exciton-polariton, na nabuo dahil sa malakas na pagkabit ng mga exciton at photon na nakulong sa isang optical na lukab.
Gayunpaman, hindi ito sapat, dahil kailangan ang materyal na batayan, wika nga. At sinong mas mahusay kaysa sa transition metal dichalcogenide (TMD) ang gaganap sa papel na ito? Mas tiyak, ang isang WS2 (tungsten disulfide) monolayer ay ginamit bilang materyal na nagpapalabas, na may kahanga-hangang exciton binding energies, na naging isa sa mga pangunahing pamantayan para sa pagpili ng materyal na base.
Ang kumbinasyon ng lahat ng mga elemento na inilarawan sa itaas ay naging posible upang lumikha ng isang electrically controlled polariton LED na tumatakbo sa temperatura ng silid.
Upang mapagtanto ang device na ito, ang isang monolayer ng WS2 ay na-sandwich sa pagitan ng manipis na hexagonal boron nitride (hBN) tunnel barrier na may mga graphene layer na kumikilos bilang mga electrodes.
Mga resulta ng pananaliksik
Ang WS2, bilang isang transition metal dichalcogenide, ay isa ring atomically thin van der Waals (vdW) na materyal. Ito ay nagsasalita sa kanyang natatanging electrical, optical, mechanical at thermal properties.
Sa kumbinasyon ng iba pang mga vdW na materyales, tulad ng graphene (bilang isang conductor) at hexagonal boron nitride (hBN, bilang isang insulator), isang buong host ng mga electrically controlled na semiconductor device, na kinabibilangan ng mga LED, ay maaaring maisakatuparan. Ang mga katulad na kumbinasyon ng mga materyales at polariton ng van der Waals ay naisakatuparan na noon pa, gaya ng hayagang sinasabi ng mga mananaliksik. Gayunpaman, sa mga nakaraang gawa, ang mga nagresultang sistema ay kumplikado at hindi perpekto, at hindi inihayag ang buong potensyal ng bawat bahagi.
Ang isa sa mga ideya na naging inspirasyon ng mga nauna ay ang paggamit ng isang two-dimensional na materyal na plataporma. Sa kasong ito, posibleng magkaroon ng mga device na may atomically thin emissive layer, na maaaring isama sa iba pang vdW na materyales na kumikilos bilang mga contact (graphene) at tunnel barrier (hBN). Bilang karagdagan, ginagawang posible ng naturang two-dimensionality na pagsamahin ang mga polariton LED na may mga vdW na materyales na may hindi pangkaraniwang magnetic properties, malakas na superconductivity at/o non-standard na topological transfers. Bilang resulta ng naturang kumbinasyon, ang isang ganap na bagong uri ng aparato ay maaaring makuha, ang mga katangian ng kung saan ay maaaring medyo hindi pangkaraniwan. Ngunit, tulad ng sinasabi ng mga siyentipiko, ito ay isang paksa para sa isa pang pag-aaral.
Larawan #1
Sa larawan 1 nagpapakita ng three-dimensional na modelo ng isang device na kahawig ng isang layer cake. Ang itaas na salamin ng optical resonator ay isang layer ng pilak, at ang mas mababang salamin ay isang 12-layer na ipinamamahagi. Bragg reflector*. Ang aktibong rehiyon ay naglalaman ng isang tunnel zone.
Ibinahagi ang Bragg reflector* - isang istraktura ng ilang mga layer kung saan ang refractive index ng materyal ay pana-panahong nagbabago patayo sa mga layer.
Ang tunnel zone ay binubuo ng isang vdW heterostructure na binubuo ng isang WS2 monolayer (light emitter), manipis na mga layer ng hBN sa magkabilang panig ng monolayer (tunnel barrier) at graphene (transparent electrodes para sa pagpapakilala ng mga electron at butas).
Dalawang higit pang mga layer ng WS2 ang idinagdag upang mapataas ang pangkalahatang lakas ng oscillator at samakatuwid ay upang makagawa ng mas malinaw na paghahati ng Rabi ng mga estado ng polariton.
Ang operating mode ng resonator ay nababagay sa pamamagitan ng pagbabago ng kapal ng PMMA layer (polymethyl methacrylate, i.e. plexiglass).
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b Ito ay isang snapshot ng isang vdW heterostructure sa ibabaw ng isang ipinamahagi na Bragg reflector. Dahil sa mataas na reflectivity ng ipinamahagi na Bragg reflector, na siyang ibabang layer, ang tunnel zone sa larawan ay may napakababang reflectance contrast, na nagreresulta sa tuktok na makapal na layer ng hBN lamang ang naobserbahan.
Iskedyul 1s kumakatawan sa vdW zone diagram ng heterostructure sa geometry ng tunnel sa ilalim ng displacement. Ang electroluminescence (EL) ay sinusunod sa itaas ng boltahe ng threshold kapag ang antas ng Fermi ng tuktok (ibaba) na graphene ay inilipat sa itaas (sa ibaba) ng conduction (valence) band ng WS2, na nagpapahintulot sa isang electron (butas) na mag-tunnel sa pagpapadaloy (valence) banda ng WS2. Lumilikha ito ng mga kanais-nais na kondisyon para sa pagbuo ng mga excitons sa layer ng WS2 na may kasunod na radiative (radiative) electron-hole recombination.
Hindi tulad ng pn junction light emitters, na nangangailangan ng doping para gumana, ang EL mula sa tunnel device ay nakasalalay lamang sa tunnel current, pag-iwas sa optical loss at anumang pagbabago sa resistivity na dulot ng mga pagbabago sa temperatura. Kasabay nito, ang arkitektura ng tunnel ay nagbibigay-daan para sa isang mas malaking rehiyon ng paglabas kumpara sa mga dichalcogenide na aparato batay sa mga pn junction.
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1d nagpapakita ng mga de-koryenteng katangian ng tunneling current density (J) bilang isang function ng bias boltahe (V) sa pagitan ng mga graphene electrodes. Ang isang matalim na pagtaas sa kasalukuyang para sa parehong positibo at negatibong boltahe ay nagpapahiwatig ng paglitaw ng tunneling kasalukuyang sa pamamagitan ng istraktura. Sa pinakamainam na kapal ng mga layer ng hBN (~ 2 nm), isang makabuluhang tunneling current at isang pagtaas sa buhay ng mga naka-embed na carrier para sa radiative recombination ay sinusunod.
Bago magsagawa ng eksperimento sa electroluminescence, ang aparato ay nailalarawan sa pamamagitan ng angle-resolved white light reflectance upang kumpirmahin ang pagkakaroon ng malakas na excitonic coupling.
Larawan #2
Sa larawan 2 Angle-resolved reflectance spectra mula sa aktibong rehiyon ng device ay ipinapakita, na nagpapakita ng anti-crossing na gawi. Ang Photoluminescence (PL) ay naobserbahan din sa ilalim ng non-resonant excitation (460 nm), na nagpapakita ng matinding paglabas mula sa mas mababang sangay ng polariton at mas mahina na paglabas mula sa itaas na sangay ng polariton (2b).
Sa 2s nagpapakita ng pagpapakalat ng polariton electroluminescence sa isang rate ng iniksyon na 0.1 ΞΌA / ΞΌm2. Ang Rabi splitting at cavity detuning na nakuha sa pamamagitan ng paglalagay ng mga oscillator mode (solid at dashed white line) sa eksperimento ng EL ay ο½33 meV at ο½-13 meV, ayon sa pagkakabanggit. Ang cavity detuning ay tinukoy bilang Ξ΄ = Ec β Ex, kung saan ang Ex ay ang exciton energy at ang Ec ay nagsasaad ng in-plane zero-momentum cavity photon energy. Iskedyul 2d Ito ay isang hiwa sa iba't ibang mga anggulo mula sa electroluminescent dispersion. Dito, malinaw na nakikita ang dispersion ng upper at lower polariton mode na may anticrossing na nagaganap sa exciton resonance zone.
Larawan #3
Habang tumataas ang kasalukuyang tunneling, tumataas ang pangkalahatang intensity ng EL. Ang mahinang EL mula sa mga polariton ay nakikita malapit sa threshold shift (3), habang sa isang sapat na malaking displacement sa itaas ng threshold, nagiging kakaiba ang paglabas ng polariton (3b).
Sa larawan 3s nagpapakita ng polar plot ng EL intensity bilang isang function ng anggulo, na naglalarawan ng makitid na emission cone na Β±15Β°. Ang pattern ng radiation ay nananatiling halos hindi nagbabago para sa parehong minimum (berdeng curve) at maximum (orange curve) na kasalukuyang paggulo. Naka-on 3d ay nagpapakita ng pinagsamang intensity para sa iba't ibang mga gumagalaw na alon ng tunnel, na, tulad ng makikita mula sa graph, ay medyo linear. Samakatuwid, ang pagtaas ng kasalukuyang sa mataas na mga halaga ay maaaring humantong sa matagumpay na pagkalat ng mga polariton sa kahabaan ng mas mababang sangay at lumikha ng isang napakakitid na pattern ng paglabas dahil sa pagbuo ng polariton. Gayunpaman, sa eksperimentong ito ay hindi posible na makamit ito dahil sa limitasyon na nauugnay sa dielectric breakdown ng hBN tunnel barrier.
Naka-on ang mga pulang tuldok 3d ipakita ang mga sukat ng isa pang tagapagpahiwatig - panlabas quantum efficiency*.
Quantum efficiency* β ang ratio ng bilang ng mga photon, ang pagsipsip na naging sanhi ng pagbuo ng mga quasiparticle, sa kabuuang bilang ng mga nasisipsip na photon.
Ang naobserbahang kahusayan sa kabuuan ay maihahambing sa iba pang mga polariton LED (batay sa mga organikong materyales, carbon tubes, atbp.). Kapansin-pansin na sa device na pinag-aaralan ang kapal ng light-emitting layer ay 0.7 nm lamang, habang sa ibang mga device ang halagang ito ay mas mataas. Hindi itinago ng mga siyentipiko na ang quantum efficiency ng kanilang device ay hindi ang pinakamataas, ngunit maaari itong tumaas sa pamamagitan ng paglalagay ng mas malaking bilang ng mga monolayer sa loob ng tunnel zone, na pinaghihiwalay ng manipis na mga layer ng hBN.
Sinubukan din ng mga mananaliksik ang epekto ng resonator detuning sa polariton EL sa pamamagitan ng paggawa ng isa pang device, ngunit may mas malakas na detuning (-43 meV).
Larawan #4
Sa larawan 4 Ang EL spectra na may angular na resolution ng naturang device ay ipinapakita sa kasalukuyang density na 0.2 ΞΌA/ΞΌm2. Dahil sa malakas na pag-detuning, nagpapakita ang device ng binibigkas na bottleneck effect sa EL na may pinakamataas na emission na nagaganap sa malaking anggulo. Ito ay karagdagang nakumpirma sa larawan 4b, kung saan inihahambing ang mga polar graph ng device na ito sa una (2s).
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa .
Epilogo
Kaya, ang lahat ng mga obserbasyon at mga sukat na inilarawan sa itaas ay nagpapatunay sa pagkakaroon ng polariton electroluminescence sa isang vdW heterostructure na binuo sa isang optical microcavity. Tinitiyak ng arkitektura ng tunnel ng device na pinag-aaralan ang pagpapakilala ng mga electron/hole at recombination sa WS2 monolayer, na nagsisilbing light emitter. Mahalaga na ang mekanismo ng tunel ng aparato ay hindi nangangailangan ng alloying ng mga bahagi, na nagpapaliit sa mga pagkalugi at iba't ibang mga pagbabago na nauugnay sa temperatura.
Napag-alaman na ang EL ay may mataas na directivity dahil sa dispersion ng resonator. Samakatuwid, ang pagpapabuti ng kadahilanan ng kalidad ng lukab at mas mataas na kasalukuyang paghahatid ay mapapabuti ang kahusayan ng mga microcavity LED, pati na rin ang mga microcavity na polariton na kinokontrol ng kuryente at mga photonic laser.
Ang gawaing ito ay muling kinumpirma na ang transition metal dichalcogenides ay may tunay na natatanging katangian at napakalawak na hanay ng mga aplikasyon.
Ang ganitong pananaliksik at mga makabagong imbensyon ay maaaring lubos na makaimpluwensya sa pagbuo at pagkalat ng mga teknolohiya ng paghahatid ng data gamit ang mga LED at ilaw mismo. Kasama sa mga naturang futuristic na teknolohiya ang Li-Fi, na maaaring magbigay ng mas mataas na bilis kaysa sa kasalukuyang available na Wi-Fi.
Salamat sa iyong pansin, manatiling mausisa at magkaroon ng magandang linggo sa lahat! π
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com