Grupa amerykańskich naukowców odkryła, że półprzewodniki LED, które są lekko wygięte do grubości atomowej, mogą emitować światło z wydajnością bliską 100% i uniknąć spadku wydajności wraz ze wzrostem jasności, co zwykle nęka te diody LED.
Od ekranów smartfonów po energooszczędne oświetlenie, diody elektroluminescencyjne (LED) wielokrotnie zmieniały świat. Jednak wydajność diod LED ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem jasności – problem, który jest szczególnie uciążliwy w przypadku nowego i interesującego dwuwymiarowego materiału półprzewodnikowego, tak zwanych dihalogenków metali przejściowych (TMD). Znaczący spadek wydajności tych atomowo cienkich materiałów przy wysokiej jasności utrudnia ich zastosowanie w zastosowaniach praktycznych.
Teraz naukowcy z University of California w Berkeley i Lawrence Berkeley National Laboratory mogli znaleźć bardzo prosty sposób na ominięcie barier wydajności, na które te diody LED są podatne.
Zespół udowodnił, że zastosowanie mechanicznego naprężenia mniejszego niż 1% na TMD może zmienić strukturę elektronową materiału, a nawet przy wysokich poziomach jasności wystarczy osiągnąć prawie 100% sprawność emisji światła (tj. wydajność kwantową fotoluminescencji) . Zespół badawczy jest przekonany, że ten wynik może umożliwić nowej generacji sprzętu LED uniknięcie erozji wydajności spowodowanej zwiększoną jasnością.
We wszystkich organicznych i niektórych nieorganicznych diodach LED spadek wydajności przy wysokiej jasności ma swoje źródło w zjawisku zwanym anihilacją ekscytonu-ekscytonu (EEA).
Kiedy źródło energii, takie jak prąd elektryczny lub wiązka laserowa, wzbudza półprzewodnik, wyrzuca ujemnie naładowane elektrony z pasma walencyjnego półprzewodnika do pasma przewodnictwa, pozostawiając dodatnio naładowane dziury elektronowe.
W półprzewodnikach o prawidłowych właściwościach pary elektron-dziura nadal istnieją w postaci obojętnych quasi-cząstek zwanych ekscytonami. Późniejsza rekombinacja promieniowania elektronów i dziur w ekscytonach powoduje emisję fotonów, a tym samym emisję światła widzialnego z diody LED.
Przy niskiej gęstości ekscytonów prawie wszystkie ekscytony mają wystarczająco dużo miejsca na rekombinację promieniowania, a wydajność kwantowa diody TMD jest bliska 100%. Jednak wraz ze wzrostem jasności diody LED i wzrostem gęstości ekscytonów, ekscytony zaczynają się zderzać i kasować się nawzajem, co skutkuje tłumieniem nieradiacyjnym lub EEA, rozpraszanym w postaci ciepła. Wynik: Wydajność fotoluminescencyjna tego ultracienkiego materiału zmniejsza się wraz ze wzrostem jasności.
Liczba niepromieniujących obszarów EEA w dużej mierze zależy od szczegółów struktury pasma energii półprzewodników. Zespół badawczy z Berkeley odkrył, że szczególnie w przypadku półprzewodników TMD liczba EEA jest zwiększona przez osobliwość van Hove.
Osobliwość van Hove'a to niewielkie zniekształcenie struktury energetycznej półprzewodnika, które zwiększa gęstość stanów (liczbę możliwych stanów energetycznych, które mogą być zajęte) w tym punkcie.
Aby rozwiązać problem EEA w warunkach wysokiej gęstości ekscytonów, naukowcy z Berkeley zbadali metody dostosowania struktury pasma energii materiałów TMD. Odkryli, że zastosowanie jednoosiowego naprężenia – dosłownie rozciąganie materiału – działa dobrze.
W swoich eksperymentach zespół zainstalował wiele różnych TMD, w tym jednowarstwowe WS2, WSe2 i MoS2. Na elastycznym podłożu z tworzywa sztucznego dodano heksagonalną warstwę azotku boru (jako izolator bramkowy) oraz warstwę grafenową (jako bramkę). elektroda). Następnie naukowcy zastosowali do urządzenia napięcie polaryzacji, wzbudzili materiał wiązką laserową w celu wygenerowania ekscytonów i zmierzyli wydajność kwantową fotoluminescencji materiału w miarę wzrostu intensywności lasera (i gęstości ekscytonów).
Zespół odkrył, że zgodnie z oczekiwaniami w przypadku nieobciążonego TMD, wydajność kwantowa spada wraz ze wzrostem gęstości ekscytonów. Jednak nieznaczne wygięcie elastycznego podłoża i przyłożenie 0,2% odkształcenia rozciągającego do TMD spowoduje znaczne zmniejszenie wielkości zwijania. Gdy naprężenie rozciągające wynosi 0,4%, nie ma efektywnego spadku wydajności przy wysokiej jasności, a materiał może utrzymać prawie 100% wydajność kwantową fotoluminescencji niezależnie od gęstości ekscytonów.
Z analizy zespołu wynika, że wpływ napięcia na wydajność kwantową jest związany z istnieniem"punktów siodełkowych" w półprzewodnikowej strukturze pasma energii - podobnie jak kanał górski w jego krajobrazie energetycznym. W materiałach nienaprężonych punkt siodłowy, to znaczy obszar osobliwości Van Hove'a, znajduje się w pobliżu korzystnej energii anihilacji ekscytonów wytwarzających ekscyton, zwiększając w ten sposób poziom anihilacji ekscytonów. Lekkie wygięcie materiału może zmienić strukturę opaski i całkowicie przesunąć punkt siodła tak, że osobliwość van Hove'a nie sprzyja anihilacji ekscytonów. To z kolei pozwala na większą rekombinację promieniowania ekscytonowego i zwiększa wydajność kwantową fotoluminescencji.
Chociaż większość eksperymentów zespołu obejmuje mechaniczne odklejanie różnych dwuwymiarowych arkuszy materiału, naukowcy mogą również udowodnić korzystny wpływ odkształcenia na wydajność kwantową wielkopowierzchniowych (centymetrowych) arkuszy WS2. Uprawiana w rozszerzonym procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej. Naukowcy są przekonani, że to dodatkowe odkrycie wskazuje na perspektywę nowej generacji diod LED, na które nie ma wpływu tłumienie utraty wydajności przy wysokiej jasności.
