Ko'p yillar davomida butun dunyo olimlari ikkita narsa bilan shug'ullanadilar - ixtiro qilish va takomillashtirish. Va ba'zida qaysi biri qiyinroq ekanligi aniq emas. Misol uchun, oddiy LEDlarni olaylik, ular bizga juda oddiy va oddiy ko'rinadiki, biz ularga e'tibor ham bermaymiz. Ammo ta'mga bir nechta eksitonlar, bir chimdik polariton va volfram disulfidi qo'shsangiz, LEDlar endi unchalik prozaik bo'lmaydi. Bu mavhum atamalarning barchasi o'ta noodatiy tarkibiy qismlarning nomlari bo'lib, ularning kombinatsiyasi Nyu-York shahar kolleji olimlariga yorug'lik yordamida juda tez ma'lumot uzatishga qodir bo'lgan yangi tizimni yaratishga imkon berdi. Ushbu ishlanma Li-Fi texnologiyasini yaxshilashga yordam beradi. Yangi texnologiyaning aniq qanday tarkibiy qismlari ishlatilgan, bu "taom"ning retsepti qanday va yangi eksiton-polaritonli LEDning ishlash samaradorligi qanday? Bu haqda olimlarning hisoboti aytib beradi. Bor.
Tadqiqot asoslari
Agar biz hamma narsani bir so'z bilan soddalashtirsak, unda bu texnologiya engil va u bilan bog'liq bo'lgan hamma narsa. Birinchidan, fotonlar muhitning qo'zg'alishlari (fononlar, eksitonlar, plazmonlar, magnonlar va boshqalar) bilan o'zaro ta'sirlashganda paydo bo'ladigan polaritonlar. Ikkinchidan, qo'zg'alishlar dielektrik, yarim o'tkazgich yoki metalldagi elektron qo'zg'alishlar bo'lib, ular kristall bo'ylab ko'chib o'tadi va elektr zaryadi va massasini uzatish bilan bog'liq emas.
Shuni ta'kidlash kerakki, bu kvazizarralar sovuqni juda yaxshi ko'radilar, ya'ni. Ularning faolligini faqat juda past haroratlarda kuzatish mumkin, bu ularning amaliy qo'llanilishini sezilarli darajada cheklaydi. Lekin bu oldin edi. Ushbu ishda olimlar harorat chegarasini engib, ularni xona haroratida ishlatishga muvaffaq bo'lishdi.
Polaritonlarning asosiy xususiyati fotonlarni bir-biri bilan bog'lash qobiliyatidir. Rubidiy atomlari bilan to'qnashgan fotonlar massaga ega bo'ladi. Takroriy to'qnashuvlar jarayonida fotonlar bir-biridan sakrab chiqadi, lekin kamdan-kam hollarda ular rubidiy atomi bilan ifodalangan atom komponentini yo'qotib, juft va uchlik hosil qiladi.
Lekin yorug'lik bilan biror narsa qilish uchun uni qo'lga olish kerak. Buning uchun optik rezonator kerak bo'ladi, bu doimiy yorug'lik to'lqinini tashkil etuvchi aks ettiruvchi elementlar to'plamidir.
Ushbu tadqiqotda eng muhim rolni yanada noodatiy kvazizarralar - optik bo'shliqda tutilgan eksitonlar va fotonlarning kuchli bog'lanishi natijasida hosil bo'lgan eksiton-pollaritonlar o'ynaydi.
Biroq, bu etarli emas, chunki moddiy asos kerak, ta'bir joiz bo'lsa. Va bu rolni o'tish metall dikalkogeniddan (TMD) yaxshiroq kim o'ynaydi? Aniqrog'i, ta'sirchan qo'zg'atuvchi bog'lovchi energiyaga ega bo'lgan WS2 (volfram disulfidi) monoqatlami emissiya materiali sifatida ishlatilgan, bu moddiy bazani tanlashning asosiy mezonlaridan biriga aylandi.
Yuqorida tavsiflangan barcha elementlarning kombinatsiyasi xona haroratida ishlaydigan elektr bilan boshqariladigan polaritonli LEDni yaratishga imkon berdi.
Ushbu qurilmani amalga oshirish uchun WS2 monoqatlami yupqa olti burchakli bor nitridi (hBN) tunnel to'siqlari orasiga grafen qatlamlari elektrodlar vazifasini o'taydi.
Tadqiqot natijalari
WS2, o'tish metalli dikalkogenid bo'lib, atomik jihatdan yupqa van der Waals (vdW) materialidir. Bu uning noyob elektr, optik, mexanik va termal xususiyatlari haqida gapiradi.
Grafen (o'tkazgich sifatida) va olti burchakli bor nitridi (hBN, izolyator sifatida) kabi boshqa vdW materiallari bilan birgalikda, LEDlarni o'z ichiga olgan elektr bilan boshqariladigan yarimo'tkazgichli qurilmalarning butun majmuasini amalga oshirish mumkin. Van der Vaals materiallari va polaritonlarning shunga o'xshash birikmalari allaqachon amalga oshirilgan, chunki tadqiqotchilar ochiqchasiga ta'kidlaydilar. Biroq, oldingi ishlarda, natijada paydo bo'lgan tizimlar murakkab va nomukammal bo'lib, har bir komponentning imkoniyatlarini to'liq ochib bermagan.
O'tmishdoshlar tomonidan ilhomlantirilgan g'oyalardan biri ikki o'lchovli material platformasidan foydalanish edi. Bunday holda, kontaktlar (grafen) va tunnel to'siqlari (hBN) sifatida ishlaydigan boshqa vdW materiallari bilan birlashtirilishi mumkin bo'lgan atomik nozik emissiya qatlamlari bo'lgan qurilmalarni amalga oshirish mumkin. Bundan tashqari, bunday ikki o'lchovlilik polaritonli LEDlarni g'ayrioddiy magnit xususiyatlarga ega, kuchli supero'tkazuvchanlik va / yoki nostandart topologik o'tkazmalarga ega bo'lgan vdW materiallari bilan birlashtirish imkonini beradi. Bunday kombinatsiya natijasida butunlay yangi turdagi qurilmani olish mumkin, uning xususiyatlari juda g'ayrioddiy bo'lishi mumkin. Ammo, olimlar aytganidek, bu boshqa tadqiqot mavzusi.
Rasm β1
Rasmda 1Π° qatlamli tortga o'xshash qurilmaning uch o'lchovli modelini ko'rsatadi. Optik rezonatorning yuqori oynasi kumush qatlami, pastki oynasi esa 12 qatlamli taqsimlangan. Bragg reflektor*. Faol hudud tunnel zonasini o'z ichiga oladi.
Tarqalgan Bragg reflektor* - materialning sindirish ko'rsatkichi qatlamlarga perpendikulyar ravishda o'zgarib turadigan bir necha qatlamlarning tuzilishi.
Tunnel zonasi WS2 monoqatlami (yorug'lik emitenti), monoqatlamning har ikki tomonidagi yupqa hBN qatlamlari (tunnel to'sig'i) va grafen (elektronlar va teshiklarni kiritish uchun shaffof elektrodlar) dan iborat vdW heterostrukturasidan iborat.
WS2 ning yana ikkita qatlami osilatorning umumiy kuchini oshirish uchun qo'shildi va shuning uchun qutbli holatlarning aniqroq Rabi bo'linishi hosil bo'ldi.
Rezonatorning ishlash rejimi PMMA qatlamining qalinligini o'zgartirish orqali o'rnatiladi (polimetil metakrilat, ya'ni plexiglass).
Rasmli tasvir 1b Bu taqsimlangan Bragg reflektori yuzasida vdW geterostrukturasining surati. Pastki qatlam bo'lgan taqsimlangan Bragg reflektorining yuqori aks ettirish qobiliyati tufayli tasvirdagi tunnel zonasi juda past aks ettiruvchi kontrastga ega, buning natijasida faqat yuqori qalin hBN qatlami kuzatiladi.
Tasvir 1 soniya siljish ostidagi tunnel geometriyasida geterostrukturaning vdW zonasi diagrammasini ifodalaydi. Elektroluminesans (EL) yuqori (pastki) grafenning Fermi darajasi WS2 ning o'tkazuvchanlik (valentlik) bandidan yuqoriga (pastga) siljiganida, elektron (teshik) o'tkazuvchanlikka (valentlik) tunnel o'tishiga imkon berganda, pol kuchlanishdan yuqorida kuzatiladi. WS2 diapazoni. Bu keyingi radiatsion (radiatsion) elektron-teshik rekombinatsiyasi bilan WS2 qatlamida eksitonlar hosil bo'lishi uchun qulay sharoit yaratadi.
Ishlash uchun doping talab qiladigan pn birlashma yorug'lik emitentlaridan farqli o'laroq, tunnel qurilmalaridan EL faqat tunnel oqimiga bog'liq bo'lib, optik yo'qotishlardan va harorat o'zgarishi natijasida kelib chiqadigan qarshilikning har qanday o'zgarishidan qochadi. Shu bilan birga, tunnel arxitekturasi pn birikmalariga asoslangan dikalkogenid qurilmalariga nisbatan ancha katta emissiya hududiga imkon beradi.
Rasmli tasvir 1d tunnel oqimi zichligining elektr xususiyatlarini ko'rsatadi (J) egilish kuchlanishining funksiyasi sifatida (V) grafen elektrodlari orasida. Ijobiy va salbiy kuchlanish uchun oqimning keskin o'sishi struktura orqali tunnel oqimining paydo bo'lishini ko'rsatadi. HBN qatlamlarining optimal qalinligida (~ 2 nm) sezilarli tunnel oqimi va radiatsiyaviy rekombinatsiya uchun o'rnatilgan tashuvchilarning ishlash muddatining oshishi kuzatiladi.
Elektroluminesans tajribasini o'tkazishdan oldin, qurilma kuchli eksitonik birikmaning mavjudligini tasdiqlash uchun burchakda ajraladigan oq nurni aks ettirish bilan tavsiflangan.
Rasm β2
Rasmda 2Π° Qurilmaning faol hududidan burchak bilan aniqlangan aks ettirish spektrlari ko'rsatilgan, ular kesishishga qarshi harakatni namoyish etadi. Fotoluminesans (PL) rezonanssiz qo'zg'alish (460 nm) ostida ham kuzatildi, bu pastki qutb shoxchasidan intensiv emissiyani va yuqori polariton shoxchasidan zaifroq emissiyani ko'rsatdi (2b).
ning 2 soniya 0.1 mkA/mkm2 in'ektsiya tezligida polariton elektroluminesansining dispersiyasini ko'rsatadi. EL eksperimentiga osilator rejimlarini (qattiq va chiziqli oq chiziq) moslashtirish natijasida olingan Rabining bo'linishi va bo'shliqni aniqlash mos ravishda ο½33 meV va ο½-13 meV ni tashkil qiladi. Bo'shliqni sozlash d = Ec - Ex sifatida aniqlanadi, bu erda Ex - qo'zg'alish energiyasi va Ec - tekislikdagi nol impulsli bo'shliq foton energiyasini bildiradi. Jadval 2d Bu elektroluminesans dispersiyasidan turli burchaklardagi kesma. Bu erda qo'zg'alish rezonans zonasida yuzaga keladigan antikrossing bilan yuqori va pastki polariton rejimlarining tarqalishi aniq ko'rinadi.
Rasm β3
Tunnel oqimining ortishi bilan umumiy EL intensivligi ortadi. Polaritonlardan zaif EL chegara siljishi yaqinida kuzatiladi (3Π°Etarlicha katta siljish bo'sag'adan yuqori bo'lsa-da, qutbli emissiya aniq bo'ladi (3b).
Rasmda 3 soniya burchak funktsiyasi sifatida EL intensivligining qutbli chizmasini ko'rsatadi, Β± 15 Β° tor emissiya konusini tasvirlaydi. Radiatsiya sxemasi minimal (yashil egri) va maksimal (to'q sariq egri) qo'zg'alish oqimi uchun deyarli o'zgarmaydi. Yoniq 3d turli harakatlanuvchi tunnel oqimlari uchun integral intensivlikni ko'rsatadi, bu grafikdan ko'rinib turibdiki, juda chiziqli. Shu sababli, oqimning yuqori qiymatlarga ko'tarilishi pastki novda bo'ylab polaritonlarning muvaffaqiyatli tarqalishiga olib kelishi va polariton hosil bo'lishi tufayli juda tor emissiya naqshini yaratishi mumkin. Biroq, bu tajribada hBN tunnel to'sig'ining dielektrik parchalanishi bilan bog'liq cheklov tufayli bunga erishish mumkin emas edi.
Qizil nuqta yoniq 3d boshqa ko'rsatkichning o'lchovlarini ko'rsatish - tashqi kvant samaradorligi*.
Kvant samaradorligi* β yutilishi kvazizarralar hosil boΚ»lishiga sabab boΚ»lgan fotonlar sonining soΚ»rilgan fotonlarning umumiy soniga nisbati.
Kuzatiladigan kvant samaradorligi boshqa polaritonli LEDlar (organik materiallar, uglerod naychalari va boshqalar asosida) bilan solishtirish mumkin. Ta'kidlash joizki, o'rganilayotgan qurilmada yorug'lik chiqaruvchi qatlam qalinligi atigi 0.7 nm bo'lsa, boshqa qurilmalarda bu ko'rsatkich ancha yuqori. Olimlar o'zlarining qurilmalarining kvant samaradorligi eng yuqori emasligini yashirishmaydi, lekin uni tunnel zonasi ichiga yupqa hBN qatlamlari bilan ajratilgan ko'proq monoqatlamlarni joylashtirish orqali oshirish mumkin.
Tadqiqotchilar, shuningdek, rezonator detuningning polariton EL ga ta'sirini boshqa qurilma yasash orqali sinab ko'rdi, ammo kuchliroq detuning (-43 meV).
Rasm β4
Rasmda 4Π° Bunday qurilmaning burchak o'lchamlari bilan EL spektrlari 0.2 mkA / mkm2 oqim zichligida ko'rsatilgan. Kuchli detuning tufayli qurilma ELda aniq to'siq effektini ko'rsatadi, maksimal emissiya katta burchak ostida sodir bo'ladi. Bu rasmda yanada tasdiqlangan 4b, bu erda ushbu qurilmaning qutbli grafiklari birinchisi bilan taqqoslanadi (2 soniya).
Tadqiqotning nuanslari bilan batafsilroq tanishish uchun men qarashni tavsiya qilaman .
Epilog
Shunday qilib, yuqorida tavsiflangan barcha kuzatishlar va o'lchovlar optik mikro bo'shliqqa o'rnatilgan vdW heterostrukturasida polariton elektroluminesans mavjudligini tasdiqlaydi. O'rganilayotgan qurilmaning tunnel arxitekturasi yorug'lik emitenti bo'lib xizmat qiluvchi WS2 monoqatlamida elektronlar/teshiklar va rekombinatsiyani kiritishni ta'minlaydi. Qurilmaning tunnel mexanizmi tarkibiy qismlarning qotishmasini talab qilmasligi muhim, bu esa yo'qotishlarni va harorat bilan bog'liq turli o'zgarishlarni kamaytiradi.
Rezonatorning dispersiyasi tufayli EL yuqori yo'nalishga ega ekanligi aniqlandi. Shu sababli, bo'shliq sifat omilini yaxshilash va yuqori oqim etkazib berish mikrokavitli LEDlarning, shuningdek, elektr bilan boshqariladigan mikrokavit polaritonlari va fotonik lazerlarning samaradorligini oshiradi.
Ushbu ish o'tish metallining dikalkogenidlari haqiqatan ham noyob xususiyatlarga va juda keng qo'llanilishiga ega ekanligini yana bir bor tasdiqladi.
Bunday tadqiqotlar va innovatsion ixtirolar LED va yorug'likning o'zidan foydalangan holda ma'lumotlarni uzatish texnologiyalarining rivojlanishi va tarqalishiga katta ta'sir ko'rsatishi mumkin. Bunday futuristik texnologiyalarga Li-Fi kiradi, ular hozirda mavjud Wi-Fi-dan sezilarli darajada yuqori tezlikni ta'minlaydi.
O'qiganingiz uchun tashakkur, qiziquvchan bo'ling va haftani ajoyib o'tkazing! π
Biz bilan qolganingiz uchun tashakkur. Bizning maqolalarimiz sizga yoqdimi? Yana qiziqarli tarkibni ko'rishni xohlaysizmi? Buyurtma berish yoki do'stlaringizga tavsiya qilish orqali bizni qo'llab-quvvatlang, Habr foydalanuvchilari uchun biz siz uchun ixtiro qilingan boshlang'ich darajadagi serverlarning noyob analogiga 30% chegirma: (RAID1 va RAID10, 24 tagacha yadro va 40 Gb gacha DDR4 bilan mavjud).
Dell R730xd 2 barobar arzonmi? Faqat shu yerda Gollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! Haqida o'qing
Manba: www.habr.com