ली-फाई का भविष्य: पोलरिटोन, एक्सिटोन, फोटॉन और कुछ टंगस्टन डिसल्फाइड

कई सालों से, दुनिया भर के वैज्ञानिक दो चीजें कर रहे हैं - आविष्कार और पूर्णता। और कभी-कभी यह स्पष्ट नहीं होता है कि इनमें से कौन अधिक कठिन है। उदाहरण के लिए, साधारण एल ई डी जो हमें इतने सरल और साधारण लगते हैं कि हम उन पर ध्यान नहीं देते हैं। लेकिन अगर आप उनमें कुछ एक्साइटन जोड़ते हैं, तो एक चुटकी पोलरिटॉन और स्वाद के लिए टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड, एल ई डी अब इतना prosaic नहीं होगा। ये सभी गर्भपात शब्द अत्यंत असामान्य घटकों के नाम हैं, जिनके संयोजन ने न्यूयॉर्क सिटी कॉलेज के वैज्ञानिकों को एक नई प्रणाली बनाने की अनुमति दी जो प्रकाश की मदद से सूचनाओं को बहुत तेज़ी से संचारित कर सकती है। यह विकास Li-Fi की तकनीक को बेहतर बनाने में मदद करेगा। वास्तव में नई तकनीक के अवयव क्या थे, इस "डिश" के लिए क्या नुस्खा है और नई एक्साइटन-पोलरिटॉन एलईडी की दक्षता क्या है? यह हमें वैज्ञानिकों की एक रिपोर्ट बताएगा। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

अगर एक शब्द से सब कुछ सरल हो जाता है, तो यह तकनीक हल्की है और इससे जुड़ी हर चीज। सबसे पहले, पोलरिटॉन जो तब उत्पन्न होते हैं जब फोटोन माध्यम के उत्तेजनाओं के साथ बातचीत करते हैं (फोनन, एक्साइटन, प्लास्मोन, मैग्नॉन, आदि)। दूसरे, excitons इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना हैं एक ढांकता हुआ, अर्धचालक या धातु में, एक क्रिस्टल के माध्यम से पलायन और इलेक्ट्रिक चार्ज और द्रव्यमान के हस्तांतरण से संबंधित नहीं है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ये क्सीपार्टिकल्स ठंड के बहुत शौकीन हैं, अर्थात्। उनकी गतिविधि केवल बेहद कम तापमान पर देखी जा सकती है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोग को बहुत सीमित करती है। लेकिन वह पहले था। इस काम में, वैज्ञानिक तापमान की सीमा को पार करने और कमरे के तापमान पर उनका उपयोग करने में सक्षम थे।

पोलीरिटोन की मुख्य विशेषता फोटोन को एक दूसरे से बांधने की क्षमता है। रुबिडियम परमाणुओं से टकराने वाले फोटोज द्रव्यमान प्राप्त करते हैं। कई टकराव की प्रक्रिया में, फोटॉन अलग हो जाते हैं, लेकिन दुर्लभ मामलों में जोड़े और ट्रिपल बनते हैं, जबकि रुबिडियम परमाणु द्वारा दर्शाए गए परमाणु घटक को खो देते हैं।

लेकिन प्रकाश के साथ कुछ करने के लिए, इसे पकड़ा जाना चाहिए। इसके लिए, हमें एक ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र की आवश्यकता होती है, जो कि परावर्तक तत्वों का एक संग्रह है जो एक स्थायी प्रकाश तरंग बनाता है।

इस अध्ययन में, सबसे महत्वपूर्ण भूमिका और भी अधिक असामान्य कैसिपार्टिकल्स द्वारा निभाई गई है - एक्सिटोन पोलरिटोन, जो कि ऑप्टिकल रेज़ोनरेटर में फंसे एक्सिटोन और फोटोन के मजबूत युग्मन के कारण बनते हैं।

हालांकि, यह पर्याप्त नहीं है, सामग्री के आधार के लिए आवश्यक है, इसलिए बोलने के लिए। और जो दूसरों की तुलना में बेहतर हैं वे इस भूमिका को निभाएंगे यदि धातु डाइक्लोजेनाइड (पीडीएम) में संक्रमण न करें। अधिक सटीक रूप से, monolayer WS ₂ (टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड), जिसमें प्रभावशाली एक्साइटन बाइंडिंग ऊर्जा होती है, का उपयोग उत्सर्जक सामग्री के रूप में किया जाता था, जो सामग्री के आधार को चुनने के लिए मुख्य मानदंडों में से एक बन गया।

उपरोक्त सभी तत्वों के संयोजन ने कमरे के तापमान पर एक विद्युत नियंत्रित पोलरिटोन एलईडी ऑपरेटिंग बनाना संभव बना दिया।

इस उपकरण को कार्यान्वित करने के लिए, डब्ल्यूएस ₂ मोनोलर इलेक्ट्रोड के रूप में काम करने वाले ग्राफीन परतों के साथ पतली हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एचबीएन) सुरंग बाधाओं के बीच स्थित है।

अनुसंधान के परिणाम

डब्ल्यूएस ₂ , एक संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड होने के नाते, एक परमाणु रूप से पतली वैन डेर वाल्स (vdW) सामग्री भी है। यह इसके अद्वितीय विद्युत, ऑप्टिकल, यांत्रिक और थर्मल गुणों को इंगित करता है।

अन्य vdW सामग्रियों के साथ संयोजन में, जैसे कि ग्राफीन (एक कंडक्टर के रूप में) और हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (hBN, एक इन्सुलेटर के रूप में), विद्युत रूप से नियंत्रित अर्धचालक उपकरणों की एक पूरी मेजबान को महसूस किया जा सकता है, जो एलईडी के रूप में हैं। शोधकर्ताओं ने खुले तौर पर राज्य के रूप में वान डेर वाल्स सामग्री और ध्रुवीकरण के समान संयोजन पहले से ही लागू किए गए हैं। हालांकि, पिछले कामों में, परिणामी प्रणाली जटिल और अपूर्ण थी, और प्रत्येक घटक की पूरी क्षमता भी प्रकट नहीं की थी।

पूर्ववर्तियों से प्रेरित विचारों में से एक दो-आयामी सामग्री मंच का उपयोग था। इस मामले में, परमाणु रूप से पतली उत्सर्जन परतों के साथ उपकरणों को लागू करना संभव है, जो संपर्क (ग्राफीन) और टनलिंग बैरियर (एचबीएन) के रूप में कार्य करने वाले अन्य वीडीडब्ल्यू सामग्रियों के साथ एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, ऐसी दो-आयामीता असामान्य चुंबकीय गुणों, मजबूत सुपरकंडक्टिविटी और / या गैर-मानक टोपोलॉजिकल ट्रांसफर के साथ vdW सामग्रियों के साथ पोलरिटॉन एलईडी को संयोजित करना संभव बनाती है। इस तरह के संयोजन के परिणामस्वरूप, आप पूरी तरह से नए प्रकार के डिवाइस प्राप्त कर सकते हैं, जिनमें से गुण बहुत ही असामान्य हो सकते हैं। लेकिन, जैसा कि वैज्ञानिक कहते हैं, यह एक अन्य अध्ययन का विषय है।


चित्र संख्या 1

छवि 1 ए एक उपकरण का तीन आयामी मॉडल दिखाता है जो एक परत केक जैसा दिखता है। एक चांदी की परत ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र के ऊपरी दर्पण के रूप में कार्य करती है, और एक 12-परत वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर * निचले एक के रूप में कार्य करता है। सक्रिय क्षेत्र में एक सुरंग क्षेत्र है।

वितरित ब्रैग परावर्तक * - कई परतों की एक संरचना, जिसमें सामग्री का अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर परतों में लंबवत बदलता है।

सुरंग क्षेत्र में एक vdW हेटरोस्ट्रक्चर होता है जिसमें मोनोलेयर WS ₂ (प्रकाश उत्सर्जक), मोनोलर (सुरंग अवरोध) के दोनों ओर पतली hBN परतें और ग्रैफीन (इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की शुरूआत के लिए पारदर्शी इलेक्ट्रोड) होते हैं।

कुल जेनरेटर की ताकत बढ़ाने के लिए दो और WS ₂ लेयर जोड़े गए थे, इसलिए, ध्रुवीकरण राज्यों के अधिक स्पष्ट रबी विभाजन के लिए।

गुंजयमान यंत्र के ऑपरेटिंग मोड को पीएमएमए परत की मोटाई (पॉलीमेथाइलमेटेक्रायलेट, यानी, plexiglass) को बदलकर समायोजित किया जाता है।

छवि 1 बी एक वितरित ब्रैग परावर्तक की सतह पर vdW हेट्रोस्ट्रक्चर का एक स्नैपशॉट है। वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर की उच्च परावर्तनता के कारण, जो निचली परत है, छवि में सुरंग क्षेत्र में बहुत कम प्रतिबिंब विपरीत होता है, जिसके परिणामस्वरूप केवल ऊपरी मोटी एचबीएन परत देखी जाती है।

ग्राफ 1c ऑफ़सेट में सुरंग ज्यामिति में vdW हेटरोस्ट्रक्चर का एक ज़ोन आरेख है। इलेक्ट्रोल्यूमिनिसेंस (ईएल) को थ्रेशोल्ड वोल्टेज के ऊपर मनाया जाता है जब ऊपरी (निचले) ग्राफीन का फर्मी स्तर WS ₂ के चालन (वैलेंस) बैंड के ऊपर (नीचे) स्थानांतरित हो जाता है, जिससे इलेक्ट्रॉन (छेद) को WS ₂ के चालन (वैलेंस) बैंड में सुरंग बनाने की अनुमति मिलती है। यह बाद में विकिरण (विकिरण) इलेक्ट्रॉन छेद पुनर्संयोजन के साथ WS ₂ परत में excitons के गठन के लिए अनुकूल परिस्थितियों का निर्माण करता है।

पीएन जंक्शनों पर आधारित प्रकाश उत्सर्जक के विपरीत, जिसे डोपिंग की आवश्यकता होती है, सुरंग उपकरणों से ईएल पूरी तरह से सुरंग चालू पर निर्भर करता है, जो तापमान में परिवर्तन के कारण होने वाले ऑप्टिकल नुकसान और प्रतिरोधकता में किसी भी बदलाव से बचा जाता है। एक ही समय में, सुरंग वास्तुकला पी.एन. जंक्शन आधारित डाइक्लोजेनाइड उपकरणों की तुलना में बहुत अधिक विकिरण क्षेत्र की अनुमति देता है।

चित्रा 1 डी ग्राफीन इलेक्ट्रोड के बीच पूर्वाग्रह वोल्टेज ( वी ) के एक समारोह के रूप में सुरंग वर्तमान घनत्व ( जे ) की विद्युत विशेषताओं को दर्शाता है। सकारात्मक और नकारात्मक दोनों वोल्टेज के लिए वर्तमान में तेज वृद्धि संरचना के माध्यम से एक सुरंग चालू की उपस्थिति को इंगित करती है। इष्टतम परत मोटाई एचबीएन (~ 2 एनएम) पर, एक महत्वपूर्ण सुरंग चालू और विकिरण पुनर्संयोजन के लिए पेश किए गए वाहक के जीवनकाल में वृद्धि देखी जाती है।

इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट प्रयोग से पहले, डिवाइस को एक मजबूत एक्साइटन युग्मन की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए कोणीय संकल्प के साथ सफेद प्रकाश की परावर्तन द्वारा विशेषता थी।


चित्र संख्या 2

छवि 2 ए डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र से कोण में एक संकल्प के साथ प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा को दर्शाता है, जो व्यवहार को दर्शाता है जो चौराहे को रोकता है। Photoluminescence (PL) को गैरोसेनटेंट उत्तेजना (460 एनएम) के तहत भी देखा गया था, जो कि ध्रुवीय की निचली शाखा से तीव्र विकिरण और ध्रुवीय की ऊपरी शाखा से कमजोर विकिरण ( 2 बी ) दिखाया गया था।

2 सी 0.1 μA / माइक्रोन ² की शुरूआत के साथ पोलारिटोन के इलेक्ट्रोल्यूमिनेशन की फैलाव को दर्शाता है। इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट प्रयोग के लिए थरथरानवाला मोड (ठोस और धराशायी सफेद लाइनों) को फिट करके प्राप्त रबी बंटवारे और अनुनाद detuning क्रमशः V 33 meV और ～ -13 meV हैं। गुंजयमान यंत्र का निरूपण on = E _c - E _{x के} रूप में परिभाषित किया जाता है, जहां E _x एक्सिटोन ऊर्जा है, और E _c विमान में शून्य संवेग के साथ प्रतिध्वनि की फोटॉन ऊर्जा को दर्शाता है। ग्राफ 2d इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट फैलाव से विभिन्न कोणों पर एक टुकड़ा है। इधर, एक्साइटन अनुनाद क्षेत्र में होने वाले विरोधी चौराहे के साथ ऊपरी और निचले ध्रुवीकरण मोड का फैलाव स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।


चित्र संख्या 3

जैसे ही टनलिंग करंट बढ़ता है, कुल ईएल की तीव्रता बढ़ जाती है। पोलीरिटोन से एक कमजोर ईएल को थ्रेशोल्ड बायस ( 3 ए ) के पास मनाया जाता है, जबकि थ्रेसहोल्ड के ऊपर पर्याप्त बड़े पूर्वाग्रह में, पोलरिटोन उत्सर्जन अलग हो जाता है ( 3 बी )।

चित्रा 3c कोण के एक समारोह के रूप में ईएल तीव्रता का एक ध्रुवीय ग्राफ दिखाता है,। 15 ° के एक संकीर्ण उत्सर्जन शंकु को दर्शाता है। विकिरण पैटर्न न्यूनतम (हरा वक्र) और अधिकतम (नारंगी वक्र) उत्तेजना वर्तमान दोनों के लिए लगभग अपरिवर्तित रहता है। 3 डी विभिन्न चलती सुरंग धाराओं में एकीकृत तीव्रता को दर्शाता है, जो कि ग्राफ से देखा जा सकता है, काफी रैखिक है। इसलिए, उच्च मूल्यों के लिए वर्तमान में वृद्धि से निचली शाखा के साथ ध्रुवीकरण के सफल प्रकीर्णन हो सकते हैं और पोलरिटोन की पीढ़ी के कारण एक अत्यंत संकीर्ण विकिरण पैटर्न बना सकते हैं। हालांकि, एचबीएन टनल बैरियर के ढांकता हुआ टूटने से जुड़ी सीमा के कारण इस प्रयोग में इसे हासिल करना संभव नहीं था।

3 डी पर लाल डॉट्स एक और संकेतक के माप को दिखाते हैं - बाहरी क्वांटम दक्षता * ।

क्वांटम दक्षता * फोटॉनों की संख्या का अनुपात है, जिसके अवशोषण ने क्यूसिपार्टिकल्स का निर्माण किया, अवशोषित फोटॉन की कुल संख्या के लिए।

देखी गई क्वांटम दक्षता अन्य ध्रुवीकरण एलईडी (जैविक सामग्री, कार्बन ट्यूब, आदि के आधार पर) के लिए तुलनीय है। यह ध्यान देने योग्य है कि अध्ययन के तहत डिवाइस में प्रकाश उत्सर्जक परत की मोटाई केवल 0.7 एनएम है, जबकि अन्य उपकरणों के लिए यह मूल्य बहुत अधिक है। वैज्ञानिक इस तथ्य को नहीं छिपाते हैं कि उनके उपकरण की क्वांटम दक्षता उच्चतम नहीं है, लेकिन एचबीएन की पतली परतों द्वारा अलग किए गए सुरंग क्षेत्र के अंदर बड़ी संख्या में मोनोलयर्स रखकर इसे बढ़ाया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने एक अन्य उपकरण गढ़कर पोलिट्रॉन ईएल पर गुहा बेमेल के प्रभाव का भी परीक्षण किया, लेकिन एक मजबूत बेमेल (-43 meV) के साथ।


चित्र संख्या 4

छवि 4 ए 0.2 μA / μm ^{2 के} वर्तमान घनत्व पर इस तरह के डिवाइस के कोणीय संकल्प के साथ ईएल स्पेक्ट्रा को दर्शाता है। मजबूत विस्फोट के कारण, डिवाइस ईएल में एक बड़े कोण पर होने वाले अधिकतम उत्सर्जन के साथ एक अड़चन का स्पष्ट प्रभाव दिखाता है। यह छवि 4 बी में आगे की पुष्टि की गई है, जहां इस उपकरण के ध्रुवीय रेखांकन की तुलना पहले ( 2 सी ) के साथ की जाती है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

इस प्रकार, उपरोक्त सभी अवलोकन और माप ऑप्टिकल माइक्रोरोनोएटर में एम्बेडेड vdW हेट्रोस्ट्रक्चर में पोलरिटॉन इलेक्ट्रोल्यूमिनस की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं। अध्ययन के तहत उपकरण की सुरंग वास्तुकला, डब्ल्यूएस ₂ मोनोलेयर में इलेक्ट्रॉनों / छिद्रों और पुनर्संयोजन को शामिल करती है, जो प्रकाश उत्सर्जक के रूप में कार्य करता है। यह महत्वपूर्ण है कि डिवाइस के सुरंग तंत्र को मिश्र धातु घटकों की आवश्यकता नहीं होती है, जो नुकसान और तापमान से जुड़े विभिन्न परिवर्तनों को कम करता है।

यह पाया गया कि गुंजयमान यंत्र के फैलाव के कारण ईएल की उच्च दिशा है। इसलिए, गुंजयमान यंत्र की गुणवत्ता कारक में सुधार और एक उच्च वर्तमान आपूर्ति माइक्रोरसोनेटर एल ई डी की दक्षता में वृद्धि करेगी, साथ ही साथ विद्युत रूप से नियंत्रित माइक्रोरोनोटर पोलरिटोन और फोटॉन लेजर भी।

इस काम ने एक बार फिर से पुष्टि की कि संक्रमण धातु डाइक्लाजेनोइड्स के पास वास्तव में अद्वितीय गुण और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है।

इस तरह के अनुसंधान और अभिनव आविष्कार एल ई डी और प्रकाश के माध्यम से डेटा ट्रांसमिशन प्रौद्योगिकियों के विकास और प्रसार को बहुत प्रभावित कर सकते हैं। इन फ्यूचरिस्टिक तकनीकों में Li-Fi शामिल है, जो मौजूदा Wi-Fi की तुलना में काफी अधिक गति प्रदान कर सकती है।

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