Uzun yıllardır dünyanın her yerinden bilim adamları iki şey yapıyorlar - icat etmek ve geliştirmek. Ve bazen bunlardan hangisinin daha zor olduğu net değildir. Örneğin, bize o kadar basit ve sıradan görünen sıradan LED'leri ele alalım ki onlara dikkat etmiyoruz. Ancak tatmak için biraz eksiton, bir tutam polariton ve tungsten disülfür eklerseniz, LED'ler artık o kadar sıradan olmayacak. Tüm bu anlaşılmaz terimler, son derece sıra dışı bileşenlerin adlarıdır ve bunların birleşimi, City College of New York'tan bilim adamlarının ışığı kullanarak bilgileri son derece hızlı bir şekilde iletebilen yeni bir sistem oluşturmasına olanak sağlamıştır. Bu gelişme, Li-Fi teknolojisinin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Kullanılan yeni teknolojinin malzemeleri tam olarak neydi, bu "yemeğin" tarifi nedir ve yeni eksiton-polariton LED'in verimliliği nedir? Bilim adamlarının raporu bize bunu anlatacak. Gitmek.
Araştırma temeli
Her şey tek kelimeyle basitleştirilirse, bu teknoloji hafiftir ve her şey onunla bağlantılıdır. İlk olarak, fotonlar orta uyarımlarla (fononlar, eksitonlar, plazmonlar, magnonlar, vb.) Etkileştiğinde ortaya çıkan polaritonlar. İkincisi, eksitonlar, bir dielektrik, yarı iletken veya metalde, kristal boyunca hareket eden ve elektrik yükü ve kütlesinin transferi ile ilişkili olmayan elektronik uyarımdır.
Bu yarı parçacıkların soğuğa çok düşkün olduğunu not etmek önemlidir; aktiviteleri, yalnızca pratik uygulamalarını ciddi şekilde sınırlayan aşırı düşük sıcaklıklarda gözlemlenebilir. Ama bu daha önceydi. Bu çalışmada, bilim adamları sıcaklık sınırlamasını aşarak bunları oda sıcaklığında kullanmayı başardılar.
Polaritonların ana özelliği, fotonları birbirine bağlama yeteneğidir. Rubidyum atomlarıyla çarpışan fotonlar kütle kazanır. Çoklu çarpışma sürecinde, fotonlar birbirlerinden sekerler, ancak nadir durumlarda rubidyum atomu tarafından temsil edilen atomik bileşeni kaybederken çiftler ve üçlüler oluştururlar.
Ancak ışıkla bir şeyler yapabilmek için yakalanması gerekir. Bunun için, duran bir ışık dalgası oluşturan yansıtıcı elemanların bir kombinasyonu olan bir optik rezonatöre ihtiyaç vardır.
Bu çalışmada, optik bir boşlukta hapsolmuş eksitonlar ve fotonların güçlü eşleşmesi nedeniyle oluşan daha sıra dışı yarı parçacıklar, eksiton-polaritonlar çok önemli bir rol oynamaktadır.
Ancak bu yeterli değildir, çünkü tabiri caizse maddi bir temel gereklidir. Ve geçiş metali dikalkojenit (TDM) değilse kim bu rolü diğerlerinden daha iyi oynayacak? Daha kesin olmak gerekirse, yayan malzeme olarak, bir malzeme tabanı seçmek için ana kriterlerden biri haline gelen etkileyici eksiton bağlama enerjilerine sahip bir WS2 tek tabakası (tungsten disülfür) kullanıldı.
Yukarıda açıklanan tüm unsurların kombinasyonu, oda sıcaklığında çalışan elektrikle kontrol edilen bir polariton LED oluşturmayı mümkün kıldı.
Bu cihazı uygulamak için, WS2 tek tabakası, elektrot görevi gören grafen tabakaları ile ince altıgen bor nitrür (hBN) tünel açma bariyerleri arasına yerleştirilmiştir.
Araştırma sonuçları
Bir geçiş metali dikalkojenit olan WS2, aynı zamanda atomik olarak ince bir van der Waals (vdW) malzemesidir. Bu, benzersiz elektriksel, optik, mekanik ve termal özelliklerini gösterir.
Grafen (iletken olarak) ve altıgen bor nitrür (yalıtkan olarak hBN) gibi diğer vdW malzemeleriyle kombinasyon halinde, LED'leri içeren çok çeşitli elektrikle kontrol edilen yarı iletken cihazlar gerçekleştirilebilir. Araştırmacıların içtenlikle belirttiği gibi, van der Waals malzemelerinin ve polaritonların benzer kombinasyonları daha önce gerçekleştirilmişti. Bununla birlikte, önceki yazılarda, ortaya çıkan sistemler karmaşık ve kusurluydu ve bileşenlerin her birinin tam potansiyelini ortaya koymuyordu.
Öncekilerden ilham alan fikirlerden biri, iki boyutlu bir malzeme platformunun kullanılmasıydı. Bu durumda, temas (grafen) ve tünel bariyerleri (hBN) görevi gören diğer vdW malzemeleriyle entegre olabilen atomik olarak ince emisyon katmanlarına sahip cihazların uygulanması mümkündür. Ek olarak, bu iki boyutluluk, polariton LED'leri alışılmadık manyetik özelliklere, güçlü süper iletkenliğe ve/veya standart olmayan topolojik transferlere sahip vdW malzemeleriyle birleştirmeyi mümkün kılar. Böyle bir kombinasyonun bir sonucu olarak, özellikleri çok sıra dışı olabilen tamamen yeni bir cihaz türü elde edebilirsiniz. Ancak bilim adamlarının dediği gibi bu başka bir çalışmanın konusu.
Resim #1
resim üzerinde 1a bir pastayı andıran bir cihazın üç boyutlu bir modelini gösterir. Optik rezonatörün üst aynası gümüş bir katmandır ve alttaki 12 katmanlı bir dağıtılmış katmandır. Bragg reflektör*. Aktif bölgede tünel bölgesi bulunmaktadır.
Dağıtılmış Bragg Reflektör* - malzemenin kırılma indisinin katmanlara dik olarak periyodik olarak değiştiği birkaç katmandan oluşan bir yapı.
Tünel bölgesi, bir WS2 tek tabakasından (ışık yayıcı), tek tabakanın her iki tarafındaki ince hBN tabakalarından (tünel bariyeri) ve grafenden (elektronların ve deliklerin girmesi için şeffaf elektrotlar) oluşan bir vdW heteroyapısından oluşur.
Osilatörün genel gücünü artırmak ve dolayısıyla polariton durumlarının daha belirgin bir Rabi bölünmesine sahip olmak için iki WS2 katmanı daha eklendi.
Rezonatörün çalışma modu, PMMA katmanının (polimetil metakrilat, yani pleksiglas) kalınlığı değiştirilerek ayarlanır.
görüntü 1b bu, dağıtılmış bir Bragg reflektörünün yüzeyindeki bir vdW heteroyapısının anlık görüntüsüdür. Alt katman olan dağıtılmış Bragg reflektörünün yüksek yansıtıcılığı nedeniyle, görüntüdeki tünel bölgesi çok düşük bir yansıma kontrastına sahiptir ve bunun sonucunda yalnızca üst kalın hBN katmanı gözlenir.
Grafik. 1s yer değiştirme altındaki tünel geometrisindeki vdW heteroyapısının bölge diyagramını temsil eder. Elektrolüminesans (EL), üst (alt) grafenin Fermi seviyesi WS2 iletim (değerlik) bandının üstüne (altına) kaydırıldığında, bir elektronun (deliğin) WS2 iletimine (değerlik) girmesine izin verdiğinde, eşik voltajının üzerinde gözlenir. bant. Bu, WS2 katmanında eksitonların oluşumu ve ardından ışınımsal (ışımsal) elektron deliği rekombinasyonu için uygun koşullar yaratır.
Çalışmak için katkılama gerektiren pn bağlantılarına dayalı ışık yayıcıların aksine, tünel cihazlarından gelen EL yalnızca optik kayıpları ve sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan özdirenç değişikliklerini önleyen tünel akımına bağlıdır. Aynı zamanda, tünel mimarisi, pn bağlantılarına dayalı dikalkojenit cihazlara kıyasla çok daha geniş bir radyasyon alanına izin verir.
görüntü 1d tünel akım yoğunluğunun elektriksel özelliklerini gösterir (J) önyargı voltajının bir fonksiyonu olarak (V) grafen elektrotları arasında. Hem pozitif hem de negatif voltaj için akımda keskin bir artış, yapı boyunca bir tünel akımının meydana geldiğini gösterir. hBN katmanlarının optimal kalınlığında (~2 nm), önemli bir tünelleme akımı ve ışınsal rekombinasyon için implante edilmiş taşıyıcıların ömründe bir artış gözlenir.
Elektrolüminesans deneyinden önce cihaz, güçlü eksiton bağlanmasının varlığını doğrulamak için açısal çözünürlüğe sahip beyaz ışık yansıması ile karakterize edildi.
Resim #2
resim üzerinde 2a cihazın aktif bölgesinden açı çözümlemeli yansıtma spektrumları gösterilir ve anti-crossing davranışı gösterir. Polaritonun alt dalından yoğun emisyon ve polaritonun üst dalından daha zayıf emisyon gösteren rezonanssız uyarımla (460 nm) fotolüminesans (PL) de gözlendi (2b).
Üzerinde 2s bir polaritonun elektrolüminesansının dağılımı, 0.1 μA/μm2'lik bir ekleme için gösterilmiştir. Osilatör modlarının (düz ve noktalı beyaz çizgi) elektrolüminesans deneyine uydurulmasıyla elde edilen Rabi bölünmesi ve rezonatör ayarı sırasıyla ~33 meV ve ~-13 meV'dir. Rezonatör ayarı, δ = Ec - Ex olarak tanımlanır, burada Ex eksiton enerjisidir ve Ec, sıfır düzlem içi momentuma sahip rezonatör foton enerjisidir. Takvim 2d elektrominesans dispersiyondan farklı açılarda bir kesimdir. Burada, eksiton rezonans bölgesinde meydana gelen anticrossing ile üst ve alt polariton modlarının dağılımı açıkça görülebilir.
Resim #3
Tünel açma akımı arttıkça, toplam EL yoğunluğu artar. Polaritonlardan zayıf EL, eşik yer değiştirmesinin yakınında gözlenir (3a), eşiğin üzerinde yeterince büyük bir kayma olduğunda, polariton emisyonu belirgin hale gelir (3b).
resim üzerinde 3s ± 15°'lik dar bir emisyon konisini gösteren, açının bir fonksiyonu olarak EL yoğunluğunun kutupsal bir grafiğini gösterir. Radyasyon modeli, hem minimum (yeşil eğri) hem de maksimum (turuncu eğri) uyarma akımı için pratik olarak değişmeden kalır. Açık 3d entegre yoğunluk, grafikten de görülebileceği gibi oldukça lineer olan çeşitli hareketli tünel akımları için gösterilmiştir. Bu nedenle akımın yüksek değerlere çıkarılması, polaritonların alt dal boyunca başarılı bir şekilde dağılmasına yol açabilir ve polaritonların oluşumu nedeniyle son derece dar bir radyasyon modeli oluşturabilir. Ancak bu deneyde, hBN tünel açma bariyerinin dielektrik bozulmasıyla ilişkili sınırlama nedeniyle bu mümkün olmadı.
üzerinde kırmızı noktalar 3d başka bir göstergenin ölçümlerini göster - harici kuantum verimi*.
Kuantum verimi* absorpsiyonu kuasipartiküllerin oluşumuna neden olan foton sayısının soğurulan toplam foton sayısına oranıdır.
Gözlemlenen kuantum verimliliği, diğer polariton LED'lerdekiyle karşılaştırılabilir (organik malzemeler, karbon tüpler, vb. temelinde). İncelenen cihazdaki ışık yayan tabakanın kalınlığının sadece 0.7 nm olduğu, diğer cihazlarda ise bu değerin çok daha yüksek olduğu belirtilmelidir. Bilim adamları, cihazlarının kuantum verimlilik endeksinin en yüksek olmadığı gerçeğini gizlemiyorlar, ancak tünel bölgesinin içine ince hBN katmanlarıyla ayrılmış daha fazla sayıda tek katman yerleştirilerek artırılabilir.
Araştırmacılar ayrıca, başka bir cihaz yaparak, ancak daha güçlü bir ayar giderme (-43 meV) ile, rezonatörün polariton EL üzerindeki akort ayarının etkisini test ettiler.
Resim #4
resim üzerinde 4a EL spektrumları, 0.2 μA/μm2 akım yoğunluğunda böyle bir cihazın açısal çözünürlüğü ile gösterilmiştir. Güçlü ayar bozulması nedeniyle cihaz, EL'de geniş bir açıda meydana gelen bir maksimum emisyon ile belirgin bir darboğaz etkisi sergiler. Bu, görüntüde daha da onaylanmıştır. 4b, bu cihazın kutupsal grafiklerinin birincisi ile karşılaştırıldığı yer (2s).
Çalışmanın nüansları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, şuna bakmanızı tavsiye ederim: .
Sonuç bölümü
Bu nedenle, yukarıda açıklanan tüm gözlemler ve ölçümler, bir optik mikro boşluk içine gömülü bir vdW heteroyapısında polariton elektrolüminesansın varlığını doğrular. İncelenmekte olan cihazın tünel mimarisi, bir ışık yayıcı görevi gören WS2 tek tabakasında elektronların/deliklerin ve rekombinasyonun dahil edilmesini sağlar. Cihazın tünel mekanizmasının, kayıpları ve sıcaklığa bağlı çeşitli değişiklikleri en aza indiren bileşenlerin alaşımlanmasını gerektirmemesi önemlidir.
Rezonatörün dağılmasından dolayı EL'nin yüksek yönlülüğe sahip olduğu bulundu. Bu nedenle, rezonatörün kalite faktörünün iyileştirilmesi ve daha yüksek bir akım kaynağı, mikro boşluk LED'lerinin yanı sıra elektrikle kontrol edilen mikro boşluk polaritonları ve foton lazerlerinin verimliliğini artıracaktır.
Bu çalışma, geçiş metali dikalkojenitlerin gerçekten benzersiz özelliklere ve çok geniş bir uygulama alanına sahip olduğunu bir kez daha doğruladı.
Bu tür araştırmalar ve yenilikçi icatlar, LED'ler ve ışığın kendisi aracılığıyla veri aktarım teknolojilerinin geliştirilmesini ve yayılmasını büyük ölçüde etkileyebilir. Bu tür fütüristik teknolojiler, şu anda mevcut olan Wi-Fi'den çok daha yüksek hızlar sağlayabilen Li-Fi'yi içerir.
İlginiz için teşekkür ederiz, merakla kalın ve herkese iyi haftalar! 🙂
Bizimle kaldığın için teşekkürler. Yazılarımızı beğeniyor musunuz? Daha ilginç içerik görmek ister misiniz? Sipariş vererek veya arkadaşlarınıza tavsiye ederek bize destek olun, Habr kullanıcıları için, bizim tarafımızdan sizin için icat ettiğimiz benzersiz bir giriş seviyesi sunucu analogunda %30 indirim: (RAID1 ve RAID10, 24 adede kadar çekirdek ve 40 GB'a kadar DDR4 ile mevcuttur).
Dell R730xd 2 kat daha mı ucuz? Sadece burada Hollanda'da! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99$'dan! Hakkında oku
Kaynak: habr.com