مستقبل Li-Fi: polaritons ، exitons ، الفوتونات وبعض ثاني كبريتيد التنغستن

لسنوات عديدة ، كان العلماء من جميع أنحاء العالم يقومون بأمرين - الابتكار والإتقان. وفي بعض الأحيان ، ليس من الواضح أي من هذه الأمور أكثر صعوبة. خذ على سبيل المثال ، مصابيح LED عادية تبدو بسيطة جدًا وعادية بالنسبة لنا حتى لا نوليها الاهتمام. ولكن إذا أضفت القليل من الإكسيتونات إليهم ، قليلًا من polaritons وثاني كبريتيد التنجستن حسب الذوق ، فلن تكون LEDs مفعمة بالحيوية. كل هذه المصطلحات المبهمة هي أسماء مكونات غير عادية للغاية ، حيث سمح الجمع بينها للعلماء من كلية مدينة نيويورك بإنشاء نظام جديد يمكنه نقل المعلومات بسرعة فائقة بمساعدة الضوء. سيساعد هذا التطور في تحسين تقنية Li-Fi. ما هي بالضبط مكونات التكنولوجيا الجديدة المستخدمة ، ما هي الوصفة لهذا "الطبق" وما هي كفاءة مصباح exciton-polariton LED الجديد؟ هذا سوف يخبرنا تقرير العلماء. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

إذا تم تبسيط كل شيء بكلمة واحدة ، فستكون هذه التقنية خفيفة وكل ما يتعلق بها. أولاً ، تنشأ polaritons عندما تتفاعل الفوتونات مع إثارات الوسط (phonons ، exitons ، plasmons ، magnons ، إلخ). ثانياً ، الإكسيتونات هي الإثارة الإلكترونية في عازل أو أشباه الموصلات أو المعدن ، تنتقل عبر البلورة ولا تتعلق بنقل الشحنة الكهربائية والكتلة.

من المهم أن نلاحظ أن هذه الجسيمات شبه مغرمة بالبرد ، أي يمكن ملاحظة نشاطهم فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية ، مما يحد بشكل كبير من التطبيق العملي. لكن ذلك كان من قبل. في هذا العمل ، تمكن العلماء من تجاوز حد درجة الحرارة واستخدامها في درجات حرارة الغرفة.

السمة الرئيسية لل polaritons هي القدرة على ربط الفوتونات مع بعضها البعض. فوتونات تصطدم مع ذرات الروبيديوم تكتسب كتلة. في عملية الاصطدامات المتعددة ، تنفجر الفوتونات ، لكن في حالات نادرة تشكل أزواج وثلاثة توائم ، بينما تفقد المكون الذري الذي تمثله ذرة الروبيديوم.

ولكن من أجل القيام بشيء ما مع الضوء ، يجب القبض عليه. لهذا ، نحتاج إلى مرنان ضوئي ، وهو عبارة عن مجموعة من العناصر العاكسة التي تشكل موجة ضوئية ثابتة.

في هذه الدراسة ، يتم لعب الدور الأكثر أهمية من قبل جسيمات شبه غير عادية - بولاريتون إكسيتون ، والتي يتم تشكيلها نتيجة للاقتران القوي بين الإكسيتونات والفوتونات المحتجزة في المرنان البصري.

ومع ذلك ، هذا لا يكفي ، على أساس مادي مطلوب ، إذا جاز التعبير. والذين أفضل من الآخرين سوف يلعبون هذا الدور إن لم يكن الانتقال ديكالالكوجين المعدني (PDM). بتعبير أدق ، تم استخدام المونولاير WS ₂ (ثاني كبريتيد التنغستن) ، الذي يحتوي على طاقات مثيرة للإعجاب في الإكسيتون ، كمادة انبعاث ، والتي أصبحت أحد المعايير الرئيسية لاختيار الأساس المادي.

أتاح الجمع بين جميع العناصر المذكورة أعلاه إنشاء مصباح بولاريتون LED يعمل بالتحكم الكهربائي يعمل في درجة حرارة الغرفة.

لتنفيذ هذا الجهاز ، توجد طبقة أحادية الطبقة WS ₂ بين حواجز نفق نيتريد البورون سداسية (hBN) رفيعة مع طبقات الجرافين بمثابة الأقطاب الكهربائية.

نتائج البحوث

WS ₂ ، كونه مادة انتقالية ثنائية الفينيل ، هو أيضًا مادة Van der Waals (vdW) رقيقة ذريًا. هذا يدل على خصائصها الكهربائية والبصرية والميكانيكية والحرارية الفريدة.

بالاقتران مع مواد vdW الأخرى ، مثل الجرافين (كموصل) ونيتريد البورون سداسي (hBN ، كعازل) ، يمكن تحقيق مجموعة كاملة من أجهزة أشباه الموصلات التي يتم التحكم فيها كهربائيًا ، والتي تتضمن مصابيح LED. تم بالفعل تنفيذ مجموعات مماثلة من مواد Van der Waals و polaritons بالفعل ، كما صرح الباحثون علنا. ومع ذلك ، في الأعمال السابقة ، كانت الأنظمة الناتجة معقدة وغير كاملة ، ولم تكشف أيضًا عن الإمكانات الكاملة لكل مكون.

واحدة من الأفكار المستوحاة من سابقاتها كانت استخدام منصة المواد ثنائية الأبعاد. في هذه الحالة ، يمكن تنفيذ أجهزة ذات طبقات انبعاث رقيقة ذرية ، والتي يمكن دمجها مع مواد vdW أخرى تعمل كجهات اتصال (الجرافين) وحواجز النفق (hBN). بالإضافة إلى ذلك ، تسمح هذه الأبعاد الثنائية بدمج LEDs polariton مع مواد vdW مع خواص مغناطيسية غير عادية ، الموصلية الفائقة القوية و / أو النقل الطوبولوجي غير القياسي. نتيجة لمثل هذا المزيج ، يمكنك الحصول على نوع جديد تمامًا من الأجهزة ، يمكن أن تكون خصائصه غير عادية. لكن ، كما يقول العلماء ، هذا موضوع لدراسة أخرى.


الصورة رقم 1

تُظهر الصورة 1 أ نموذجًا ثلاثي الأبعاد لجهاز يشبه كعكة طبقة. تعمل الطبقة الفضية كمرآة عليا للمرنان البصري ، ويعمل عاكس Bragg * الموزع المكون من 12 طبقة باعتباره الطبقة السفلية. في المنطقة النشطة هناك منطقة نفق.

Distributed Bragg * - هيكل من عدة طبقات ، يتغير فيه معامل الانكسار للمادة بشكل دوري عموديًا على الطبقات.

تتكون منطقة النفق من هيكل متغاير vdW يتكون من طبقة أحادية WS ₂ (باعث ضوئي) ، وطبقات hBN رقيقة على جانبي الطبقة الأحادية (حاجز النفق) والجرافين (أقطاب شفافة لإدخال الإلكترونات والثقوب).

تمت إضافة طبقتين إضافيتين من WS WS لزيادة إجمالي قوة المولد ، وبالتالي لتقسيم رابي بشكل أكثر وضوحًا لحالات polariton.

يتم ضبط وضع تشغيل المرنان عن طريق تغيير سمك طبقة PMMA (polymethylmethacrylate ، على سبيل المثال ، زجاج شبكي).

الصورة 1b هي لقطة من هيكل heterostructure vdW على سطح عاكس Bragg الموزع. بسبب الانعكاس العالي لعاكس Bragg الموزع ، وهو الطبقة السفلية ، فإن منطقة النفق في الصورة لها تباين انعكاس منخفض للغاية ، ونتيجة لذلك لوحظ فقط طبقة hBN السميكة العليا.

الرسم البياني 1c هو رسم تخطيطي لمنطقة heterostructure vdW في هندسة النفق عند الإزاحة. يتم ملاحظة التلألؤ الكهربائي (EL) أعلى من الجهد الكهربائي عند إزاحة مستوى فيرمي من الجرافين العلوي (السفلي) أعلى (أدناه) نطاق التوصيل (التكافؤ) في WS ₂ ، مما يسمح للإلكترون (الثقب) بالنفق في نطاق التوصيل (تكافؤ) WS ₂ . هذا يخلق ظروفًا مواتية لتشكيل الإكسيتونات في طبقة WS ₂ مع إعادة تركيب ثقب الإشعاع الإلكتروني (الإشعاعي) اللاحق.

على عكس بواعث الضوء المستندة إلى تقاطعات pn ، والتي تتطلب تعاطي المنشطات ، فإن EL من أجهزة النفق تعتمد حصريًا على تيار النفق ، الذي يتجنب الفقد البصري وأي تغييرات في المقاومة الناتجة عن التغيرات في درجات الحرارة. في الوقت نفسه ، تسمح بنية النفق بمنطقة إشعاع أكبر بكثير مقارنة بأجهزة dichalcogenide المستندة إلى pn.

يوضح الشكل 1 د الخصائص الكهربائية لكثافة تيار النفق ( J ) كوظيفة لجهد التحيز ( V ) بين أقطاب الجرافين. تشير الزيادة الحادة في التيار لكل من الجهد الإيجابي والسلبي إلى ظهور تيار نفق خلال الهيكل. عند سماكة الطبقة المثلى hBN (~ 2 نانومتر) ، يلاحظ وجود تيار نفق كبير وزيادة في عمر الموجات الحاملة المقدمة لإعادة التركيب الإشعاعي.

قبل تجربة الإنارة كهربائياً ، كان الجهاز يتميز بانعكاس الضوء الأبيض مع الدقة الزاويّة لتأكيد وجود اقتران exciton قوي.


الصورة رقم 2

تُظهر الصورة 2 أ أطياف الانعكاس بدقة في الزاوية من المنطقة النشطة للجهاز ، مما يُظهر السلوك الذي يمنع التقاطع. ولوحظ أيضًا التلألؤ الضوئي (PL) عند الإثارة غير المنشطة (460 نانومتر) ، والتي أظهرت إشعاعًا مكثفًا من الفرع السفلي من polariton وإشعاعًا أضعف من الفرع العلوي من polariton ( 2b ).

2C يبين تشتت التألق الكهربائي من polariton مع إدخال 0.1 ميكرومتر / ميكرومتر ² . إن عملية فصل الشق والرنان التي تم الحصول عليها عن طريق تركيب أوضاع المذبذب (الخطوط البيضاء الصلبة والمتقطعة) في تجربة الكهربية هي me 33 meV و 13 -13 meV ، على التوالي. يتم تعريف detunator detuning على أنها δ = E _c - E _x ، حيث E _x هي طاقة exciton ، وتشير E _c إلى طاقة الفوتون الخاصة بالرنان مع وجود زخم صفري في المستوى. الرسم البياني 2d هو شريحة في زوايا مختلفة من تشتت كهربائيا. هنا ، من الواضح أن تشتت أوضاع الاستقطاب العلوي والسفلي مع وجود تقاطع مضاد في منطقة صدى الإكسيتون واضح.


الصورة رقم 3

كلما زاد التيار النفقي ، تزداد كثافة EL الكلية. ويلاحظ وجود EL ضعيف من polaritons بالقرب من انحياز العتبة ( 3a ) ، بينما في انحياز كبير بما فيه الكفاية فوق العتبة ، يصبح انبعاث polariton متميزًا ( 3b ).

يوضح الشكل 3 ج رسمًا قطبيًا لكثافة EL كدالة للزاوية ، حيث يصور مخروط انبعاث ضيق يبلغ ission 15 درجة. يبقى نمط الإشعاع بدون تغيير تقريبًا لكل من تيار الإثارة الأدنى (المنحنى الأخضر) والحد الأقصى (المنحنى البرتقالي). يُظهر ثلاثي الأبعاد الكثافة المتكاملة في تيارات النفق المتحركة المختلفة ، والتي ، كما يتضح من الرسم البياني ، خطية تمامًا. لذلك ، فإن زيادة التيار إلى القيم المرتفعة يمكن أن يؤدي إلى الانتثار الناجح للبولاريتون على طول الفرع السفلي وخلق نمط إشعاع ضيق للغاية بسبب توليد البولاريتون. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن تحقيق ذلك في هذه التجربة بسبب القيد المرتبط بالانهيار العازل لجدار نفق hBN.

تُظهر النقاط الحمراء على الأبعاد الثلاثية قياسات مؤشر آخر - كفاءة الكم الخارجية * .

الكفاءة الكمية * هي نسبة عدد الفوتونات ، التي تسبب امتصاصها في تكوين جسيمات شبه جسيمية ، إلى إجمالي عدد الفوتونات الممتصة.

تتشابه كفاءة الكم الملحوظة مع تلك الموجودة في LEDs polariton LEDs الأخرى (استنادًا إلى المواد العضوية ، وأنابيب الكربون ، وما إلى ذلك). تجدر الإشارة إلى أن سمك الطبقة الباعثة للضوء في الجهاز قيد الدراسة هو 0.7 نانومتر فقط ، في حين أن هذه القيمة أعلى بكثير بالنسبة للأجهزة الأخرى. لا يخفي العلماء حقيقة أن الكفاءة الكمية لجهازهم ليست هي الأعلى ، ولكن يمكن زيادتها بوضع عدد أكبر من الطبقات الأحادية داخل منطقة النفق ، مفصولة بطبقات رقيقة من hBN.

اختبر الباحثون أيضًا تأثير عدم تطابق التجويف على polariton EL من خلال تصنيع جهاز آخر ، ولكن مع عدم تطابق أقوى (-43 meV).


الصورة رقم 4

تُظهر الصورة 4 أ أطياف EL بدقة زاوي لمثل هذا الجهاز بكثافة حالية تبلغ 0.2 ميكرولتر / ميكرومتر ² . نظرًا للإنفصال القوي ، يُظهر الجهاز تأثيرًا واضحًا على عنق الزجاجة في EL مع الحد الأقصى للانبعاثات التي تحدث بزاوية كبيرة. تم تأكيد ذلك أيضًا في الصورة 4 ب ، حيث تتم مقارنة الرسوم البيانية القطبية لهذا الجهاز مع الأول ( 2 ج ).

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

وبالتالي ، فإن جميع الملاحظات والقياسات المذكورة أعلاه تؤكد وجود تلألؤ بولاريتون في بنية غير متجانسة vdW المضمنة في microresonator البصرية. توفر بنية النفق الخاصة بالجهاز قيد الدراسة دمج الإلكترونات / الثقوب وإعادة التركيب في الطبقة الأحادية WS ₂ ، والتي تعمل بمثابة باعث للضوء. من المهم ألا تتطلب آلية النفق الخاصة بالجهاز مكونات صناعة السبائك ، مما يقلل من الخسائر والتغيرات المختلفة المرتبطة بدرجة الحرارة.

وقد وجد أن EL لديه اتجاهية عالية بسبب تشتت المرنان. وبالتالي ، فإن تحسين عامل جودة مرنان وارتفاع العرض الحالي سيزيد من كفاءة LEDs microresonator ، وكذلك polaritons microresonator الليزر وأشعة الليزر الفوتون.

أكد هذا العمل مرة أخرى أن مركبات ديكالالكوجينيدات الانتقالية تمر بخصائص فريدة حقًا ومجموعة واسعة جدًا من التطبيقات.

مثل هذه الأبحاث والاختراعات المبتكرة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على تطوير ونشر تقنيات نقل البيانات من خلال المصابيح والضوء على هذا النحو. تشمل هذه التقنيات المستقبلية Li-Fi ، والتي يمكن أن توفر سرعة أعلى بكثير من Wi-Fi الحالي.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟