Fun ọpọlọpọ ọdun, awọn onimo ijinlẹ sayensi lati gbogbo agbala aye ti n ṣe awọn nkan meji - ṣiṣẹda ati ilọsiwaju. Ati nigba miiran ko ṣe kedere eyiti o nira sii. Mu, fun apẹẹrẹ, awọn LED arinrin, eyiti o dabi ẹnipe o rọrun ati lasan si wa pe a ko paapaa fiyesi wọn. Ṣugbọn ti o ba fi kan diẹ excitons, kan fun pọ ti polaritons ati tungsten disulfide lati lenu, LED yoo ko to gun jẹ ki prosaic. Gbogbo awọn ofin abstruse wọnyi jẹ awọn orukọ ti awọn paati dani pupọ, apapọ eyiti o gba awọn onimọ-jinlẹ laaye lati Ile-ẹkọ giga Ilu ti New York lati ṣẹda eto tuntun ti o lagbara lati tan kaakiri alaye ni iyara ni lilo ina. Idagbasoke yii yoo ṣe iranlọwọ ilọsiwaju imọ-ẹrọ Li-Fi. Kini awọn eroja gangan ti imọ-ẹrọ tuntun ti a lo, kini ohunelo fun “awọpọ” yii ati kini iṣẹ ṣiṣe ti exciton-polariton LED tuntun? Iroyin ti awọn onimo ijinlẹ sayensi yoo sọ fun wa nipa eyi. Lọ.
Ipilẹ iwadi
Ti a ba jẹ ki ohun gbogbo rọrun si ọrọ kan, lẹhinna imọ-ẹrọ yii jẹ ina ati ohun gbogbo ti o ni asopọ pẹlu rẹ. Ni akọkọ, awọn polaritons, eyiti o dide nigbati awọn fọto ba nlo pẹlu awọn inudidun ti alabọde (phonons, excitons, plasmons, magnons, bbl). Ni ẹẹkeji, awọn excitons jẹ awọn inudidun itanna ni dielectric, semikondokito tabi irin ti o lọ kaakiri kirisita ati pe ko ni nkan ṣe pẹlu gbigbe idiyele itanna ati ọpọ.
O ṣe pataki lati ṣe akiyesi pe awọn quasiparticles wọnyi nifẹ tutu pupọ, i.e. Iṣẹ ṣiṣe wọn le ṣe akiyesi nikan ni awọn iwọn otutu ti o kere pupọ, eyiti o ṣe idiwọ ohun elo iṣe wọn lọpọlọpọ. Ṣugbọn iyẹn jẹ ṣaaju. Ninu iṣẹ yii, awọn onimo ijinlẹ sayensi ni anfani lati bori opin iwọn otutu ati lo wọn ni awọn iwọn otutu yara.
Ẹya akọkọ ti awọn polaritons ni agbara lati di awọn photon pẹlu ara wọn. Photons colliding pẹlu rubidium awọn ọta gba ibi-. Ninu ilana ti awọn ikọlu leralera, awọn photons n jade kuro ni ara wọn, ṣugbọn ni awọn iṣẹlẹ ti o ṣọwọn wọn dagba awọn orisii ati awọn meteta, lakoko ti o padanu paati atomiki ti o jẹ aṣoju nipasẹ atomu rubidium.
Ṣugbọn lati ṣe nkan pẹlu ina, o nilo lati mu. Fun eyi, a nilo resonator opiti, eyiti o jẹ eto awọn eroja ti o ni afihan ti o ṣe igbi ina ti o duro.
Ninu iwadi yii, ipa ti o ṣe pataki julọ ni a ṣe nipasẹ paapaa awọn quasiparticles dani diẹ sii - exciton-polaritons, eyiti a ṣẹda nitori idapọ ti o lagbara ti awọn excitons ati awọn photons idẹkùn ninu iho opiti.
Sibẹsibẹ, eyi ko to, nitori pe a nilo ipilẹ ohun elo, bẹ lati sọ. Ati tani o dara ju irin-ajo dichalcogenide (TMD) yoo ṣe ipa yii? Ni deede diẹ sii, monolayer WS2 (tungsten disulfide) ni a lo bi ohun elo ti njade, eyiti o ni awọn agbara abuda exciton ti o yanilenu, eyiti o di ọkan ninu awọn ibeere akọkọ fun yiyan ipilẹ ohun elo.
Apapo gbogbo awọn eroja ti a ṣalaye loke jẹ ki o ṣee ṣe lati ṣẹda LED polariton ti itanna ti n ṣiṣẹ ni iwọn otutu yara.
Lati mọ ẹrọ yii, monolayer kan ti WS2 jẹ sandwiched laarin awọn idena eefin hexagonal boron nitride (hBN) tinrin pẹlu awọn fẹlẹfẹlẹ graphene ti n ṣiṣẹ bi awọn amọna.
Awọn abajade iwadi
WS2, jijẹ irin dichalcogenide iyipada, tun jẹ ohun elo tinrin tinrin van der Waals (vdW). Eyi sọrọ si itanna alailẹgbẹ rẹ, opitika, ẹrọ ati awọn ohun-ini gbona.
Ni apapo pẹlu awọn ohun elo vdW miiran, gẹgẹbi graphene (gẹgẹbi olutọpa) ati hexagonal boron nitride (hBN, bi insulator), gbogbo ogun ti awọn ẹrọ semikondokito iṣakoso itanna, eyiti o pẹlu awọn LED, le ṣee ṣe. Awọn akojọpọ irufẹ ti awọn ohun elo van der Waals ati awọn polaritons ti tẹlẹ ti wa tẹlẹ ṣaaju, bi awọn oluwadi ṣe sọ ni gbangba. Bibẹẹkọ, ninu awọn iṣẹ iṣaaju, awọn eto abajade jẹ eka ati aipe, ati pe ko ṣafihan agbara kikun ti paati kọọkan.
Ọkan ninu awọn imọran ti o ni atilẹyin nipasẹ awọn iṣaaju ni lilo ipilẹ ohun elo onisẹpo meji. Ni idi eyi, o ṣee ṣe lati mọ awọn ẹrọ pẹlu atomically tinrin itujade fẹlẹfẹlẹ, eyi ti o le wa ni ese pẹlu awọn miiran vdW ohun elo sise bi awọn olubasọrọ (graphene) ati eefin idena (hBN). Ni afikun, iru iwọn-meji jẹ ki o ṣee ṣe lati darapo awọn LED polariton pẹlu awọn ohun elo vdW ti o ni awọn ohun-ini oofa dani, superconductivity lagbara ati / tabi awọn gbigbe topological ti kii ṣe boṣewa. Bi abajade iru apapo kan, iru ẹrọ tuntun patapata le ṣee gba, awọn ohun-ini eyiti o le jẹ dani. Ṣugbọn, gẹgẹbi awọn onimo ijinlẹ sayensi ti sọ, eyi jẹ koko-ọrọ fun iwadi miiran.
Aworan #1
Ninu aworan 1a fihan awoṣe onisẹpo mẹta ti ẹrọ kan ti o dabi akara oyinbo kan. Digi oke ti resonator opitika jẹ Layer ti fadaka, ati digi isalẹ jẹ ipin 12-Layer. Olufihan Bragg*. Agbegbe ti nṣiṣe lọwọ ni agbegbe eefin kan ninu.
Pipin Bragg reflector* - eto ti awọn fẹlẹfẹlẹ pupọ ninu eyiti atọka itọka ti ohun elo ṣe yipada lorekore ni papẹndikula si awọn fẹlẹfẹlẹ.
Agbegbe oju eefin ni vdW heterostructure ti o ni WS2 monolayer (imita ina), awọn fẹlẹfẹlẹ tinrin ti hBN ni ẹgbẹ mejeeji ti monolayer (idana oju eefin) ati graphene (awọn amọna sihin fun iṣafihan awọn elekitironi ati awọn ihò).
Awọn fẹlẹfẹlẹ meji diẹ sii ti WS2 ni a ṣafikun lati mu agbara gbogbogbo ti oscillator pọ si ati nitorinaa lati ṣe agbejade ipin Rabi ti o pe diẹ sii ti awọn ipinlẹ polariton.
Ipo iṣẹ ti resonator jẹ atunṣe nipasẹ yiyipada sisanra ti Layer PMMA (polymethyl methacrylate, ie plexiglass).
Aworan 1b Eyi jẹ fọtoyiya ti vdW heterostructure lori dada ti a pin Bragg reflector. Nitori imudara giga ti olufihan Bragg ti a pin, eyiti o jẹ ipele isalẹ, agbegbe oju eefin ninu aworan naa ni itansan irisi kekere pupọ, ti o mu ki ipele hBN ti o nipọn nikan ni a ṣe akiyesi.
Iṣeto 1c duro fun aworan agbegbe vdW ti heterostructure ni oju eefin geometry labẹ iṣipopada. Electroluminescence (EL) ni a ṣe akiyesi loke foliteji ala nigbati ipele Fermi ti oke (isalẹ) graphene ti yi lọ si oke (isalẹ) ẹgbẹ ipa (valence) ti WS2, gbigba ohun elekitironi (iho) lati inu eefin sinu itọpa (valence) ẹgbẹ ti WS2. Eleyi ṣẹda ọjo awọn ipo fun awọn Ibiyi ti excitons ni WS2 Layer pẹlu tetele radiative (radiative) itanna-iho atunko.
Ko dabi pn junction ina emitters, eyiti o nilo doping lati ṣiṣẹ, EL lati awọn ẹrọ oju eefin da daada lori lọwọlọwọ oju eefin, yago fun awọn adanu opiti ati eyikeyi awọn ayipada ninu resistivity ṣẹlẹ nipasẹ awọn iyipada iwọn otutu. Ni akoko kanna, faaji oju eefin ngbanilaaye fun agbegbe itujade ti o tobi pupọ ni akawe si awọn ẹrọ dichalcogenide ti o da lori awọn isunmọ pn.
Aworan 1d ṣe afihan awọn abuda itanna ti iwuwo lọwọlọwọ tunneling (J) gẹgẹbi iṣẹ ti foliteji aiṣedeede (V) laarin graphene amọna. Ilọsoke didasilẹ ni lọwọlọwọ fun mejeeji rere ati awọn foliteji odi tọkasi iṣẹlẹ ti tunneling lọwọlọwọ nipasẹ eto naa. Ni sisanra ti o dara julọ ti awọn fẹlẹfẹlẹ hBN (~ 2 nm), lọwọlọwọ tunneling pataki kan ati ilosoke ninu igbesi aye ti awọn gbigbe ti a fi sii fun isọdọtun radiative ni a ṣe akiyesi.
Ṣaaju ṣiṣe idanwo elekitiroluminescence, ẹrọ naa jẹ afihan nipasẹ didanju ina funfun ti igun-igun lati jẹrisi wiwa isọdọkan excitonic to lagbara.
Aworan #2
Ninu aworan 2a Igun-ipinnu irisi irisi lati agbegbe ti ẹrọ naa ni a fihan, ti n ṣe afihan ihuwasi irekọja. Photoluminescence (PL) ni a tun ṣe akiyesi labẹ itusilẹ ti kii-resonant (460 nm), ti n ṣafihan itujade ti o lagbara lati ẹka eka polariton isalẹ ati itujade alailagbara lati ẹka eka polariton oke (2b).
Ni 2c ṣe afihan pipinka ti electroluminescence polariton ni iwọn abẹrẹ ti 0.1 μA/μm2. Iyapa Rabi ati yiyọkuro iho ti a gba nipasẹ ibamu awọn ipo oscillator (laini funfun ti o lagbara ati didasi) si idanwo EL jẹ 33 meV ati ～-13 meV, ni atele. Iyatọ iho naa jẹ asọye bi δ = Ec - Ex, nibiti Ex jẹ agbara exciton ati Ec n tọka si agbara inu-ofurufu odo-ipavity photon. Iṣeto 2d Eyi jẹ gige ni awọn igun oriṣiriṣi lati pipinka electroluminescent. Nibi, pipinka ti oke ati isalẹ awọn ipo polariton pẹlu anticrossing ti o waye ni agbegbe resonance exciton han kedere.
Aworan #3
Bi lọwọlọwọ tunneling n pọ si, kikankikan EL gbogbogbo n pọ si. EL ti ko lagbara lati awọn polaritons ni a ṣe akiyesi nitosi iṣipopada iloro (3a), lakoko ti o wa ni iṣipopada ti o tobi to loke iloro, itujade polariton di iyatọ (3b).
Ninu aworan 3c fihan idite pola kan ti kikankikan EL gẹgẹbi iṣẹ igun kan, ti n ṣe afihan konu itujade dín ti ± 15°. Apẹrẹ itankalẹ naa ko yipada fun mejeeji ti o kere ju (itẹ alawọ ewe) ati ti o pọju (itẹ-osan) lọwọlọwọ isamisi. Lori 3d ṣe afihan kikankikan iṣọpọ fun ọpọlọpọ awọn ṣiṣan oju eefin gbigbe, eyiti, bi a ti le rii lati aworan, jẹ laini laini. Nitorinaa, jijẹ lọwọlọwọ si awọn iye giga le ja si pipinka aṣeyọri ti awọn polaritons lẹgbẹẹ ẹka isalẹ ati ṣẹda ilana itujade dín pupọ nitori iran polariton. Sibẹsibẹ, ninu idanwo yii ko ṣee ṣe lati ṣaṣeyọri eyi nitori aropin ti o ni nkan ṣe pẹlu idinku dielectric ti idena eefin eefin hBN.
Awọn aami pupa lori 3d fihan awọn wiwọn ti itọkasi miiran - ita iṣẹ́ iyebíye*.
Iṣiṣẹ kuatomu* - awọn ipin ti awọn nọmba ti photons, awọn gbigba ti eyi ti ṣẹlẹ awọn Ibiyi ti quasiparticles, si awọn lapapọ nọmba ti o gba photons.
Iṣiṣẹ kuatomu ti a ṣe akiyesi jẹ afiwera si iyẹn ni awọn LED polariton miiran (da lori awọn ohun elo Organic, awọn tubes carbon, bbl). O yẹ ki o ṣe akiyesi pe ninu ẹrọ ti o wa labẹ iwadi sisanra ti Layer-emitting Layer jẹ 0.7 nm nikan, lakoko ti o wa ninu awọn ẹrọ miiran iye yii ga julọ. Awọn onimo ijinlẹ sayensi ko tọju otitọ pe ṣiṣe kuatomu ti ẹrọ wọn kii ṣe ga julọ, ṣugbọn o le pọ si nipa gbigbe nọmba nla ti awọn monolayers sinu agbegbe eefin, ti yapa nipasẹ awọn fẹlẹfẹlẹ tinrin ti hBN.
Awọn oniwadi naa tun ṣe idanwo ipa ti resonator detuning lori polariton EL nipa ṣiṣe ẹrọ miiran, ṣugbọn pẹlu agbara ti o lagbara (-43 meV).
Aworan #4
Ninu aworan 4a EL spectra pẹlu ipinnu angula ti iru ẹrọ ni a fihan ni iwuwo lọwọlọwọ ti 0.2 μA/μm2. Nitori iyansilẹ ti o lagbara, ẹrọ naa ṣe afihan ipa igo ti o sọ ni EL pẹlu itujade ti o pọju ti o waye ni igun nla kan. Eyi tun jẹrisi ni aworan naa 4b, nibiti a ti ṣe afiwe awọn aworan pola ti ẹrọ yii pẹlu ọkan akọkọ (2c).
Fun imọran alaye diẹ sii pẹlu awọn nuances ti iwadi naa, Mo ṣeduro wiwo .
Imudaniloju
Nitorinaa, gbogbo awọn akiyesi ati awọn wiwọn ti a ṣalaye loke jẹrisi wiwa elekitiroluminescence polariton ninu vdW heterostructure ti a ṣe sinu microcavity opiti. Itumọ oju eefin ti ẹrọ ti o wa labẹ iwadi ṣe idaniloju ifihan awọn elekitironi / awọn iho ati isọdọtun ninu monolayer WS2, eyiti o ṣiṣẹ bi emitter ina. O ṣe pataki pe ẹrọ oju eefin ti ẹrọ ko nilo alloying ti awọn paati, eyiti o dinku awọn adanu ati ọpọlọpọ awọn iyipada ti o ni ibatan iwọn otutu.
A rii pe EL ni itọsọna giga nitori pipinka ti resonator. Nitorinaa, imudarasi ifosiwewe didara iho ati ifijiṣẹ lọwọlọwọ ti o ga julọ yoo mu imudara ti awọn LED microcavity, ati awọn polaritons microcavity iṣakoso itanna ati awọn lasers photonic.
Iṣẹ yii lekan si jẹrisi pe awọn dichalcogenides irin iyipada ni awọn ohun-ini alailẹgbẹ nitootọ ati ọpọlọpọ awọn ohun elo pupọ.
Iru iwadii ati awọn idasilẹ tuntun le ni ipa pupọ si idagbasoke ati itankale awọn imọ-ẹrọ gbigbe data nipa lilo Awọn LED ati ina funrararẹ. Iru awọn imọ-ẹrọ ọjọ iwaju pẹlu Li-Fi, eyiti o le pese awọn iyara ti o ga pupọ ju Wi-Fi ti o wa lọwọlọwọ lọ.
O ṣeun fun akiyesi rẹ, duro iyanilenu ati ni ọsẹ nla kan gbogbo eniyan! 🙂
O ṣeun fun gbigbe pẹlu wa. Ṣe o fẹran awọn nkan wa? Ṣe o fẹ lati rii akoonu ti o nifẹ si diẹ sii? Ṣe atilẹyin fun wa nipa gbigbe aṣẹ tabi iṣeduro si awọn ọrẹ, ẹdinwo 30% fun awọn olumulo Habr lori afọwọṣe alailẹgbẹ ti awọn olupin ipele-iwọle, eyiti a ṣẹda nipasẹ wa fun ọ: (wa pẹlu RAID1 ati RAID10, to awọn ohun kohun 24 ati to 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 igba din owo? Nikan nibi ni Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - lati $99! Ka nipa
orisun: www.habr.com