Trong nhiều năm, các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới đã làm hai việc - phát minh và cải tiến. Và đôi khi không rõ cái nào khó hơn. Lấy ví dụ, đèn LED thông thường, đối với chúng ta có vẻ đơn giản và bình thường đến mức chúng ta thậm chí không chú ý đến chúng. Nhưng nếu bạn thêm một vài chất kích thích, một ít phân cực và vonfram disulfua để tạo mùi vị, đèn LED sẽ không còn nhàm chán nữa. Tất cả những thuật ngữ trừu tượng này đều là tên của những thành phần cực kỳ khác thường, sự kết hợp của chúng cho phép các nhà khoa học từ City College of New York tạo ra một hệ thống mới có khả năng truyền thông tin cực kỳ nhanh chóng bằng ánh sáng. Sự phát triển này sẽ giúp cải tiến công nghệ Li-Fi. Những thành phần chính xác nào của công nghệ mới đã được sử dụng, công thức của “món ăn” này là gì và hiệu suất hoạt động của đèn LED exciton-phân cực mới là bao nhiêu? Báo cáo của các nhà khoa học sẽ cho chúng ta biết về điều này. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Nếu chúng ta đơn giản hóa mọi thứ chỉ còn một từ thì công nghệ này sẽ nhẹ nhàng và mọi thứ đều được kết nối với nó. Thứ nhất, các phân cực, phát sinh khi các photon tương tác với các kích thích của môi trường (phonon, kích thích, plasmon, magnon, v.v.). Thứ hai, kích thích là các kích thích điện tử trong chất điện môi, chất bán dẫn hoặc kim loại di chuyển khắp tinh thể và không liên quan đến sự truyền điện tích và khối lượng.
Điều quan trọng cần lưu ý là những giả hạt này rất thích lạnh, tức là. Hoạt động của chúng chỉ có thể được quan sát ở nhiệt độ cực thấp, điều này hạn chế rất nhiều ứng dụng thực tế của chúng. Nhưng đó là trước đây. Trong công trình này, các nhà khoa học đã khắc phục được giới hạn nhiệt độ và sử dụng chúng ở nhiệt độ phòng.
Đặc điểm chính của phân cực là khả năng liên kết các photon với nhau. Các photon va chạm với các nguyên tử rubidium thu được khối lượng. Trong quá trình va chạm lặp đi lặp lại, các photon bật ra khỏi nhau, nhưng trong một số trường hợp hiếm hoi, chúng tạo thành cặp và bộ ba, đồng thời làm mất thành phần nguyên tử được đại diện bởi nguyên tử rubidium.
Nhưng để làm được điều gì đó với ánh sáng, bạn cần phải nắm bắt được nó. Để làm được điều này, cần có một bộ cộng hưởng quang học, đó là một tập hợp các phần tử phản xạ tạo thành sóng ánh sáng đứng.
Trong nghiên cứu này, vai trò quan trọng nhất được đảm nhận bởi các quasiparticle thậm chí còn đặc biệt hơn - exciton-Polariton, được hình thành do sự liên kết mạnh mẽ của các exiton và photon bị mắc kẹt trong hộp quang.
Tuy nhiên, điều này vẫn chưa đủ, vì cần phải có cơ sở vật chất. Và ai tốt hơn dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMD) sẽ đóng vai trò này? Chính xác hơn, lớp đơn WS2 (vonfram disulfua) đã được sử dụng làm vật liệu phát xạ, có năng lượng liên kết exiton ấn tượng, trở thành một trong những tiêu chí chính để chọn cơ sở vật liệu.
Sự kết hợp của tất cả các yếu tố được mô tả ở trên giúp tạo ra đèn LED phân cực được điều khiển bằng điện hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Để hiện thực hóa thiết bị này, một lớp WS2 đơn lớp được kẹp giữa các hàng rào đường hầm boron nitride (hBN) hình lục giác mỏng với các lớp graphene đóng vai trò là điện cực.
Kết quả nghiên cứu
WS2, là một dichalcogenide kim loại chuyển tiếp, cũng là một vật liệu van der Waals (vdW) mỏng cấp nguyên tử. Điều này nói lên các tính chất điện, quang, cơ và nhiệt độc đáo của nó.
Khi kết hợp với các vật liệu vdW khác, chẳng hạn như graphene (làm chất dẫn điện) và boron nitrit lục giác (hBN, làm chất cách điện), toàn bộ thiết bị bán dẫn được điều khiển bằng điện, bao gồm cả đèn LED, có thể được tạo ra. Các kết hợp tương tự giữa vật liệu van der Waals và phân cực đã được thực hiện trước đây, như các nhà nghiên cứu đã công khai tuyên bố. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trước đây, hệ thống thu được rất phức tạp và không hoàn hảo, đồng thời chưa bộc lộ hết tiềm năng của từng thành phần.
Một trong những ý tưởng được lấy cảm hứng từ những người tiền nhiệm là việc sử dụng nền tảng vật liệu hai chiều. Trong trường hợp này, có thể tạo ra các thiết bị có lớp phát xạ mỏng cỡ nguyên tử, có thể tích hợp với các vật liệu vdW khác đóng vai trò là điểm tiếp xúc (graphene) và rào chắn đường hầm (hBN). Ngoài ra, tính chất hai chiều như vậy giúp có thể kết hợp đèn LED phân cực với vật liệu vdW có đặc tính từ tính khác thường, tính siêu dẫn mạnh và/hoặc chuyển đổi cấu trúc liên kết không chuẩn. Kết quả của sự kết hợp như vậy có thể thu được một loại thiết bị hoàn toàn mới, các đặc tính của chúng có thể khá bất thường. Tuy nhiên, như các nhà khoa học nói, đây là chủ đề cho một nghiên cứu khác.
Hình ảnh số 1
trên hình ảnh XUẤT KHẨU hiển thị mô hình ba chiều của một thiết bị giống như một chiếc bánh nhiều lớp. Gương trên của bộ cộng hưởng quang là một lớp bạc và gương dưới là tấm phân bố 12 lớp Chóa phản quang Bragg*. Vùng hoạt động chứa một vùng đường hầm.
Chóa phản xạ Bragg phân tán* - cấu trúc gồm nhiều lớp trong đó chiết suất của vật liệu thay đổi định kỳ vuông góc với các lớp.
Vùng đường hầm bao gồm cấu trúc dị thể vdW bao gồm lớp đơn WS2 (bộ phát ánh sáng), các lớp hBN mỏng ở cả hai phía của lớp đơn lớp (hàng rào đường hầm) và graphene (điện cực trong suốt để đưa electron và lỗ trống).
Hai lớp WS2 nữa đã được thêm vào để tăng cường độ tổng thể của bộ dao động và do đó tạo ra sự phân tách Rabi rõ rệt hơn ở các trạng thái phân cực.
Chế độ hoạt động của bộ cộng hưởng được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ dày của lớp PMMA (polymethyl methacrylate, tức là plexiglass).
Изображение 1b Đây là ảnh chụp nhanh cấu trúc dị thể vdW trên bề mặt của gương phản xạ Bragg phân tán. Do độ phản xạ cao của gương phản xạ Bragg phân tán, là lớp dưới cùng, vùng đường hầm trong ảnh có độ tương phản phản xạ rất thấp, dẫn đến chỉ quan sát được lớp hBN dày trên cùng.
Lịch trình 1с là sơ đồ vùng vdW của cấu trúc dị thể trong hình dạng đường hầm khi dịch chuyển. Sự phát quang điện (EL) được quan sát thấy trên điện áp ngưỡng khi mức Fermi của graphene trên cùng (dưới cùng) bị dịch chuyển lên trên (bên dưới) dải dẫn (hóa trị) của WS2, cho phép một electron (lỗ trống) đi vào vùng dẫn (hóa trị) băng tần WS2. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các chất kích thích trong lớp WS2 với sự tái hợp electron-lỗ trống bức xạ (bức xạ) tiếp theo.
Không giống như các bộ phát ánh sáng tiếp giáp pn cần pha tạp chất để hoạt động, EL từ các thiết bị đường hầm chỉ phụ thuộc vào dòng điện trong đường hầm, tránh tổn thất quang học và bất kỳ thay đổi nào về điện trở suất do thay đổi nhiệt độ. Đồng thời, kiến trúc đường hầm cho phép tạo ra vùng phát xạ lớn hơn nhiều so với các thiết bị dichalcogenide dựa trên các điểm nối pn.
Изображение 1d thể hiện các đặc tính điện của mật độ dòng điện xuyên hầm (J) là hàm của điện áp phân cực (V) giữa các điện cực graphene. Dòng điện tăng mạnh ở cả điện áp dương và điện áp âm cho thấy sự xuất hiện của dòng điện xuyên qua kết cấu. Ở độ dày tối ưu của các lớp hBN (~ 2nm), dòng điện chui hầm đáng kể và sự gia tăng tuổi thọ của các sóng mang nhúng để tái hợp bức xạ được quan sát thấy.
Trước khi tiến hành thí nghiệm điện phát quang, thiết bị được đặc trưng bởi độ phản xạ ánh sáng trắng phân giải theo góc để xác nhận sự hiện diện của khớp nối kích thích mạnh.
Hình ảnh số 2
trên hình ảnh XUẤT KHẨU Phổ phản xạ được phân giải theo góc từ vùng hoạt động của thiết bị được hiển thị, thể hiện hành vi chống cắt ngang. Sự phát quang (PL) cũng được quan sát thấy dưới sự kích thích không cộng hưởng (460 nm), cho thấy sự phát xạ mạnh từ nhánh phân cực phía dưới và sự phát xạ yếu hơn từ nhánh phân cực phía trên (2b).
Trên 2с cho thấy sự phân tán của điện phát quang phân cực ở tốc độ tiêm 0.1 μA/μm2. Sự phân tách Rabi và độ lệch khoang thu được bằng cách khớp các chế độ dao động (đường liền nét và nét đứt) cho thí nghiệm EL lần lượt là ～33 meV và ～-13 meV. Độ lệch của khoang được định nghĩa là δ = Ec - Ex, trong đó Ex là năng lượng kích thích và Ec biểu thị năng lượng photon khoang có động lượng bằng XNUMX trong mặt phẳng. Lịch trình 2d Đây là một vết cắt ở các góc khác nhau so với sự phân tán điện phát quang. Ở đây, có thể thấy rõ sự phân tán của chế độ phân cực trên và dưới với hiện tượng phản giao nhau xảy ra trong vùng cộng hưởng esciton.
Hình ảnh số 3
Khi dòng điện xuyên hầm tăng lên, cường độ EL tổng thể cũng tăng lên. EL yếu từ các phân cực được quan sát thấy ở gần độ dịch chuyển ngưỡng (XUẤT KHẨU), trong khi ở độ dịch chuyển đủ lớn trên ngưỡng, phát xạ phân cực trở nên khác biệt (3b).
trên hình ảnh 3с hiển thị biểu đồ cực của cường độ EL dưới dạng hàm của góc, mô tả hình nón phát xạ hẹp ± 15°. Kiểu bức xạ hầu như không thay đổi đối với cả dòng điện kích thích tối thiểu (đường cong màu xanh lá cây) và dòng điện kích thích tối đa (đường cong màu cam). TRÊN 3d cho thấy cường độ tích hợp của các dòng điện chuyển động khác nhau trong đường hầm, như có thể thấy từ biểu đồ, là khá tuyến tính. Do đó, việc tăng dòng điện lên giá trị cao có thể dẫn đến sự phân tán thành công các phân cực dọc theo nhánh dưới và tạo ra kiểu phát xạ cực hẹp do tạo ra phân cực. Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, điều này đã không thể đạt được do hạn chế liên quan đến sự đánh thủng điện môi của hàng rào đường hầm hBN.
Chấm đỏ trên 3d hiển thị số đo của chỉ báo khác - bên ngoài hiệu suất lượng tử*.
Hiệu suất lượng tử* - tỷ lệ giữa số lượng photon, sự hấp thụ của nó gây ra sự hình thành các giả hạt, trên tổng số photon bị hấp thụ.
Hiệu suất lượng tử quan sát được tương đương với hiệu suất lượng tử ở các đèn LED phân cực khác (dựa trên vật liệu hữu cơ, ống carbon, v.v.). Điều đáng chú ý là trong thiết bị đang nghiên cứu, độ dày của lớp phát sáng chỉ là 0.7 nm, trong khi ở các thiết bị khác, giá trị này cao hơn nhiều. Các nhà khoa học không che giấu sự thật rằng hiệu suất lượng tử của thiết bị của họ không phải là cao nhất, nhưng nó có thể tăng lên bằng cách đặt một số lượng lớn hơn các đơn lớp bên trong vùng đường hầm, được ngăn cách bởi các lớp hBN mỏng.
Các nhà nghiên cứu cũng đã kiểm tra tác động của việc lệch pha của bộ cộng hưởng đối với phân cực EL bằng cách chế tạo một thiết bị khác, nhưng với độ lệch lệch mạnh hơn (-43 meV).
Hình ảnh số 4
trên hình ảnh XUẤT KHẨU Phổ EL với độ phân giải góc của thiết bị như vậy được thể hiện ở mật độ dòng điện là 0.2 μA/μm2. Do độ lệch mạnh, thiết bị thể hiện hiệu ứng thắt cổ chai rõ rệt trong EL với mức phát xạ tối đa xảy ra ở một góc lớn. Điều này càng được khẳng định trong hình ảnh 4b, trong đó đồ thị cực của thiết bị này được so sánh với đồ thị cực đầu tiên (2с).
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem .
Phần kết
Do đó, tất cả các quan sát và phép đo được mô tả ở trên đều xác nhận sự hiện diện của hiện tượng điện phát quang phân cực trong cấu trúc dị thể vdW được tích hợp trong một khoang vi mô quang học. Kiến trúc đường hầm của thiết bị đang được nghiên cứu đảm bảo đưa các electron/lỗ trống và tái hợp vào lớp đơn WS2, đóng vai trò như một bộ phát ánh sáng. Điều quan trọng là cơ chế đường hầm của thiết bị không yêu cầu hợp kim hóa các bộ phận, giúp giảm thiểu tổn thất và các thay đổi khác nhau liên quan đến nhiệt độ.
Người ta thấy rằng EL có tính định hướng cao do sự phân tán của bộ cộng hưởng. Do đó, việc cải thiện hệ số chất lượng khoang và cung cấp dòng điện cao hơn sẽ cải thiện hiệu quả của đèn LED khoang vi mô, cũng như các phân cực khoang vi mô và laser quang tử được điều khiển bằng điện.
Công trình này một lần nữa khẳng định rằng dichalcogenide kim loại chuyển tiếp có những đặc tính thực sự độc đáo và có phạm vi ứng dụng rất rộng.
Những nghiên cứu và phát minh sáng tạo như vậy có thể ảnh hưởng lớn đến sự phát triển và phổ biến của công nghệ truyền dữ liệu sử dụng đèn LED và ánh sáng. Những công nghệ tương lai như vậy bao gồm Li-Fi, có thể cung cấp tốc độ cao hơn đáng kể so với Wi-Fi hiện có.
Cảm ơn bạn đã quan tâm, hãy luôn tò mò và chúc mọi người một tuần tuyệt vời! 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, Giảm giá 30% cho người dùng Habr trên một máy chủ tương tự duy nhất của máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ gấp 2 lần? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com