Masa depan Li-Fi: polaritons, excitons, photon dan beberapa tungsten disulfide

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan dari seluruh dunia telah melakukan dua hal - menciptakan dan menyempurnakan. Dan terkadang tidak jelas yang mana dari ini yang lebih sulit. Ambil contoh, LED biasa yang tampak sangat sederhana dan biasa bagi kita sehingga kita tidak memperhatikannya. Tetapi jika Anda menambahkan sedikit rangsangan pada mereka, sedikit polaritons dan tungsten disulfide secukupnya, LED tidak akan lagi begitu biasa. Semua istilah muskil ini adalah nama-nama komponen yang sangat tidak biasa, kombinasi yang memungkinkan para ilmuwan dari New York City College untuk membuat sistem baru yang dapat mengirimkan informasi dengan sangat cepat dengan bantuan cahaya. Perkembangan ini akan membantu meningkatkan teknologi Li-Fi. Apa sebenarnya bahan dari teknologi baru yang digunakan, apa resep untuk "hidangan" ini dan apa efisiensi dari LED exciton-polariton yang baru? Ini akan memberi tahu kami laporan para ilmuwan. Ayo pergi.

Dasar studi

Jika semuanya disederhanakan menjadi satu kata, maka teknologi ini ringan dan semuanya terhubung dengannya. Pertama, polariton yang muncul ketika foton berinteraksi dengan rangsangan medium (fonon, ronon, plasmon, magnon, dll.). Kedua, rangsangan adalah eksitasi elektronik dalam dielektrik, semikonduktor, atau logam, bermigrasi melalui kristal dan tidak terkait dengan transfer muatan listrik dan massa.

Penting untuk dicatat bahwa partikel semu ini sangat menyukai udara dingin, yaitu aktivitas mereka hanya dapat diamati pada suhu yang sangat rendah, yang sangat membatasi penerapan praktis. Tapi itu sebelumnya. Dalam karya ini, para ilmuwan mampu mengatasi batas suhu dan menggunakannya pada suhu kamar.

Fitur utama polariton adalah kemampuan untuk mengikat foton satu sama lain. Foton bertabrakan dengan atom rubidium bertambah massa. Dalam proses beberapa tabrakan, foton memantul, tetapi dalam kasus yang jarang membentuk pasangan dan kembar tiga, sementara kehilangan komponen atom yang diwakili oleh atom rubidium.

Tetapi untuk melakukan sesuatu dengan cahaya, itu harus ditangkap. Untuk ini, kita memerlukan resonator optik, yang merupakan kumpulan elemen reflektif yang membentuk gelombang cahaya berdiri.

Dalam studi ini, peran yang paling penting dimainkan oleh partikel semu yang lebih tidak biasa - polariton exciton, yang terbentuk karena penggabungan kuat dari ekson dan foton yang terperangkap dalam resonator optik.

Namun, ini tidak cukup, untuk dasar material diperlukan, sehingga untuk berbicara. Dan siapa yang lebih baik daripada yang lain akan memainkan peran ini jika tidak transisi metal dichalcogenide (PDM). Lebih tepatnya, monolayer WS ₂ (tungsten disulfide), yang memiliki energi pengikat exciton yang mengesankan, digunakan sebagai bahan pemancar, yang menjadi salah satu kriteria utama untuk memilih bahan dasar.

Kombinasi dari semua elemen di atas memungkinkan untuk membuat operasi polariton LED yang dikendalikan secara listrik pada suhu kamar.

Untuk mengimplementasikan perangkat ini, monolayer WS ₂ terletak di antara penghalang terowongan heksagonal boron nitrida tipis (hBN) dengan lapisan graphene yang bertindak sebagai elektroda.

Hasil penelitian

WS ₂ , yang merupakan dichalcogenide logam transisi, juga merupakan material Van der Waals (vdW) yang sangat tipis. Ini menunjukkan sifat listrik, optik, mekanik dan termal yang unik.

Dalam kombinasi dengan bahan vdW lainnya, seperti graphene (sebagai konduktor) dan heksagonal boron nitrida (hBN, sebagai insulator), sejumlah host perangkat semikonduktor yang dikendalikan secara elektrik dapat direalisasikan, termasuk LED. Kombinasi serupa bahan Van der Waals dan polariton telah diterapkan sebelumnya, seperti yang dinyatakan oleh para peneliti secara terbuka. Namun, dalam karya sebelumnya, sistem yang dihasilkan kompleks dan tidak sempurna, dan juga tidak mengungkapkan potensi penuh dari masing-masing komponen.

Salah satu ide yang terinspirasi oleh para pendahulu adalah penggunaan platform material dua dimensi. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk mengimplementasikan perangkat dengan lapisan emisi yang sangat tipis, yang dapat diintegrasikan dengan material vdW lainnya yang bertindak sebagai kontak (graphene) dan tunneling barriers (hBN). Selain itu, dua dimensi tersebut memungkinkan menggabungkan LED polariton dengan bahan vdW dengan sifat magnetik yang tidak biasa, superkonduktivitas yang kuat, dan / atau transfer topologi yang tidak standar. Sebagai hasil dari kombinasi tersebut, Anda bisa mendapatkan jenis perangkat yang sama sekali baru, sifat-sifatnya bisa sangat tidak biasa. Tapi, seperti yang dikatakan para ilmuwan, ini adalah topik untuk studi lain.


Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan model tiga dimensi dari perangkat yang menyerupai kue lapis. Lapisan perak bertindak sebagai cermin atas resonator optik, dan reflektor Bragg * 12-lapisan yang terdistribusi bertindak sebagai yang lebih rendah. Di wilayah aktif ada zona terowongan.

Distributed Bragg reflector * - struktur beberapa lapisan, di mana indeks bias material secara berkala berubah tegak lurus terhadap lapisan.

Zona terowongan terdiri dari heterostruktur vdW yang terdiri dari monolayer WS ₂ (penghasil cahaya), lapisan hBN tipis di kedua sisi monolayer (penghalang terowongan) dan graphene (elektroda transparan untuk pengenalan elektron dan lubang).

Dua lapisan WS ₂ ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan generator total dan, oleh karena itu, untuk pemisahan Rabi yang lebih jelas dari keadaan polariton.

Mode operasi resonator disesuaikan dengan mengubah ketebalan lapisan PMMA (polymethylmethacrylate, mis., Plexiglass).

Gambar 1b adalah snapshot dari heterostruktur vdW pada permukaan reflektor Bragg terdistribusi. Karena reflektifitas tinggi reflektor Bragg terdistribusi, yang merupakan lapisan bawah, zona terowongan dalam gambar memiliki kontras refleksi yang sangat rendah, sehingga hanya lapisan hBN tebal atas yang diamati.

Grafik 1c adalah diagram zona heterostruktur vdW dalam geometri terowongan pada offset. Electroluminescence (EL) diamati di atas tegangan ambang ketika tingkat Fermi dari graphene atas (bawah) bergeser di atas (di bawah) pita konduksi (valensi) WS ₂ , yang memungkinkan elektron (lubang) untuk masuk ke pita konduksi (valensi) WS ₂ . Hal ini menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk pembentukan rangsangan pada lapisan WS ₂ dengan rekombinasi lubang - radiasi (radiasi) elektron.

Tidak seperti pemancar cahaya berdasarkan persimpangan pn, yang membutuhkan doping, EL dari perangkat tunneling bergantung secara eksklusif pada arus tunneling, yang menghindari kehilangan optik dan perubahan resistivitas yang disebabkan oleh perubahan suhu. Pada saat yang sama, arsitektur terowongan memungkinkan area radiasi yang jauh lebih besar dibandingkan dengan perangkat dichalcogenide berbasis persimpangan pn.

Gambar 1d menunjukkan karakteristik listrik dari kepadatan arus terowongan ( J ) sebagai fungsi dari tegangan bias ( V ) antara elektroda graphene. Peningkatan tajam dalam arus untuk tegangan positif dan negatif menunjukkan penampilan arus tunneling melalui struktur. Pada ketebalan lapisan optimal hBN (~ 2 nm), arus tunneling yang signifikan dan peningkatan masa pakai pembawa yang diperkenalkan untuk rekombinasi radiatif diamati.

Sebelum percobaan electroluminescent, perangkat dicirikan oleh reflektivitas cahaya putih dengan resolusi sudut untuk mengkonfirmasi keberadaan sambungan exciton yang kuat.


Gambar No. 2

Gambar 2a menunjukkan spektrum pantulan dengan resolusi dalam sudut dari wilayah aktif perangkat, menunjukkan perilaku yang mencegah persimpangan. Photoluminescence (PL) juga diamati di bawah eksitasi nonresonan (460 nm), yang menunjukkan radiasi intens dari cabang bawah polariton dan radiasi yang lebih lemah dari cabang atas polariton ( 2b ).

2c menunjukkan dispersi dari electroluminescence polariton dengan pengenalan 0,1 μA / μm ² . Rabi splitting dan resonator detuning yang diperoleh dengan memasang mode osilator (garis putih solid dan putus-putus) ke percobaan electroluminescent masing-masing adalah me 33 meV dan ～ -13 meV. Detektor resonator didefinisikan sebagai δ = E _c - E _x , di mana E _x adalah energi exciton, dan E _c menunjukkan energi foton resonator dengan nol momentum di dalam pesawat. Grafik 2d adalah irisan pada sudut yang berbeda dari dispersi electroluminescent. Di sini, dispersi mode polariton atas dan bawah dengan anti-persimpangan terjadi di zona resonansi exciton terlihat jelas.


Gambar No. 3

Saat arus tunneling meningkat, intensitas EL total meningkat. EL yang lemah dari polariton diamati di dekat bias ambang ( 3a ), sedangkan pada bias yang cukup besar di atas ambang batas, emisi polariton menjadi berbeda ( 3b ).

Gambar 3c menunjukkan grafik polar dari intensitas EL sebagai fungsi sudut, menggambarkan kerucut emisi sempit ± 15 °. Pola radiasi tetap hampir tidak berubah untuk arus eksitasi minimum (kurva hijau) dan maksimum (kurva oranye). 3d menunjukkan intensitas terintegrasi pada berbagai arus terowongan bergerak, yang, seperti dapat dilihat dari grafik, cukup linier. Oleh karena itu, meningkatkan arus ke nilai-nilai tinggi dapat menyebabkan keberhasilan hamburan polariton di cabang bawah dan menciptakan pola radiasi yang sangat sempit karena generasi polariton. Namun, itu tidak mungkin untuk mencapai ini dalam percobaan ini karena keterbatasan yang terkait dengan kerusakan dielektrik penghalang terowongan hBN.

Titik merah pada 3d menunjukkan pengukuran indikator lain - efisiensi kuantum eksternal * .

Efisiensi kuantum * adalah rasio jumlah foton, yang penyerapannya menyebabkan pembentukan partikel semu, terhadap jumlah total foton yang diserap.

Efisiensi kuantum yang diamati sebanding dengan pada LED polariton lainnya (berdasarkan bahan organik, tabung karbon, dll.). Perlu dicatat bahwa dalam perangkat yang sedang dipelajari, ketebalan lapisan pemancar cahaya hanya 0,7 nm, sedangkan untuk perangkat lain nilai ini jauh lebih tinggi. Para ilmuwan tidak menyembunyikan fakta bahwa efisiensi kuantum perangkat mereka bukan yang tertinggi, tetapi dapat ditingkatkan dengan menempatkan sejumlah besar lapisan warna di dalam zona terowongan, dipisahkan oleh lapisan tipis hBN.

Para peneliti juga menguji efek ketidaksesuaian rongga pada polariton EL dengan membuat perangkat lain, tetapi dengan ketidakcocokan yang lebih kuat (-43 meV).


Gambar No. 4

Gambar 4a menunjukkan spektra EL dengan resolusi sudut perangkat tersebut pada kerapatan arus 0,2 μA / μm ² . Karena detuning yang kuat, perangkat menunjukkan efek yang jelas dari kemacetan di EL dengan emisi maksimum yang terjadi pada sudut yang besar. Ini lebih jauh dikonfirmasi dalam gambar 4b , di mana grafik kutub dari perangkat ini dibandingkan dengan yang pertama ( 2c ).

Untuk pengenalan yang lebih rinci dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan .

Epilog

Dengan demikian, semua pengamatan dan pengukuran di atas mengkonfirmasi keberadaan electroluminescence polariton dalam heterostruktur vdW yang tertanam dalam microresonator optik. Arsitektur terowongan dari perangkat yang diteliti menyediakan penggabungan elektron / lubang dan rekombinasi ke dalam monolayer WS ₂ , yang berfungsi sebagai penghasil cahaya. Penting bahwa mekanisme terowongan perangkat tidak memerlukan komponen paduan, yang meminimalkan kehilangan dan berbagai perubahan yang terkait dengan suhu.

Ditemukan bahwa EL memiliki directivity tinggi karena dispersi resonator. Oleh karena itu, peningkatan faktor kualitas resonator dan pasokan arus yang lebih tinggi akan meningkatkan efisiensi LED microresonator, serta polaron mikorononator dan laser foton yang dikontrol secara listrik.

Karya ini sekali lagi menegaskan bahwa dichalcogenides logam transisi memiliki sifat yang benar-benar unik dan beragam aplikasi.

Penelitian dan penemuan inovatif tersebut dapat sangat mempengaruhi pengembangan dan penyebaran teknologi transmisi data melalui LED dan cahaya seperti itu. Teknologi futuristik ini termasuk Li-Fi, yang dapat memberikan kecepatan secara signifikan lebih tinggi daripada Wi-Fi yang ada.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?