Ryhmä amerikkalaisia tutkijoita havaitsi, että hieman atomipaksuuteen taipuneet LED-puolijohteet voivat säteillä valoa lähes 100%: n tehokkuudella ja välttää tehokkuuden laskun, kun kirkkaus kasvaa - mikä yleensä vaivaa näitä LED-valoja.
Älypuhelinten näytöistä vähäenergiaiseen valaistukseen valoa lähettävät diodit (LED-valot) ovat muuttaneet maailmaa monta kertaa. Mutta LED-valojen tehokkuus yleensä vähenee, kun kirkkaus kasvaa - ongelma, joka on erityisen hankala uudelle ja mielenkiintoiselle kaksiulotteinen puolijohdemateriaali, niin kutsutut siirtymämetallidihalidit (TMD). Näiden atomiohuvien materiaalien merkittävä tehokkuuspudous suurella kirkkaustasolla estää niiden soveltamisen käytännön sovelluksissa.
Kalifornian yliopiston, Berkeleyn ja Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tutkijat ovat saattaneet löytää hyvin yksinkertaisen tavan ohittaa tehokkuusesteet, joita nämä LED-näytteet ovat alttiita kohtaamaan.
Tiimi on osoittanut, että alle 1%: n mekaanisen rasituksen soveltaminen TMD: hen voi muuttaa materiaalin elektronista rakennetta, ja jopa korkealla kirkkaustasolla riittää saavuttamaan lähes 100% valon päästötehokkuuden (eli fotoluminesenssin kvanttituotos) . Tutkimusryhmä uskoo, että tämä tulos voi mahdollistaa uuden sukupolven LED-laitteiden, jotta vältetään lisääntyneen kirkkauden aiheuttama tehokkuuseroosio.
Kaikissa orgaanisissa ja joissakin epäorgaanisissa LED-valoissa tehokkuuden lasku suurella kirkkausasteessa juontaa juurensa ilmiöön, jota kutsutaan exciton-exciton annihilation (EEA).
Kun energialähde, kuten sähkövirta tai lasersäde, kiihottaa puolijohdetta, se potkaisee puolijohdekaistalta negatiivisesti ladattuja elektroneja johtavuuskaistalle jättäen positiivisesti lataudut elektronireiät.
Puolijohteissa, joilla on oikeat ominaisuudet, elektronireikäpareja on edelleen neutraaleina kvasihiukkasina, joita kutsutaan ekskotoneiksi. Elektronien ja reikien myöhempi säteilykombinaatio excitonsissa johtaa fotonien päästöihin ja tuottaa siten näkyvää valopäästöä LED-valosta.
Alhaisella exciton-tiheydellä lähes kaikilla ekskotonilla on riittävästi tilaa säteilyn rekombinaatiolle, ja TMD-LED-valojen kvanttituotto on lähes 100%. Kuitenkin, kun LED-valon kirkkaus kasvaa ja excitons-tiheys kasvaa, excitonit alkavat törmätä toisiinsa ja pyyhkiä toisiaan, mikä johtaa ei-säteilevään vaikenemiseen tai ETA: iin, joka häviää lämmön muodossa. Tulos: Tämän erittäin ohuen materiaalin fotoluminesenssitehokkuus vähenee kirkkauden kasvaessa.
Ei-säteilyä aiheuttavien euroopan laajenemistöjen määrä riippuu suurelta osin puolijohdeenergiakaistan rakenteen yksityiskohdista. Berkeleyn tutkimusryhmä havaitsi, että erityisesti TMD-puolijohteet, EEA:iden määrää lisää van Hoven singulariteetti.
Van Hoven singulariteetti on pieni vääristymä puolijohteen energiarakenteessa, mikä lisää valtioiden tiheyttä (mahdollisesti käytössä olevien energiavaltioiden määrää) siinä vaiheessa.
Ratkaistakseen ETA-ongelman suurella exciton-tiheydellä Berkeleyn tutkijat tutkivat menetelmiä TMD-materiaalien energiakaistarakenteen säätämiseksi. He havaitsivat, että yksiaksiaalinen kanta-kirjaimellisesti venyttää materiaalia hieman toimii hyvin.
Kokeissaan tiimi asensi monia erilaisia TMD:iä, kuten yksikerroksisen WS2:n, WSe2:n ja MoS2:n. Joustavaan muovialustaan lisättiin kuusikulmainen boorinitridikerros (porttieristimenä) ja grafeenikerros (porttina). elektrodi). Sitten tutkijat sovelsivat laitteeseen jänniteharhaa, kiihotti materiaalia lasersäteellä synnyttääkseen kiihottumia ja mittasivat materiaalin fotoluminesenssin kvanttituotoksen laserintensiteetin (ja exciton-tiheyden) kasvaessa.
Tiimi havaitsi, että rajoittamattomalle TMD: lle, kuten odotettiin, kvanttituotto hajoaa exciton-tiheyden kasvaessa. Joustavan alustan lievä taivuttaminen ja 0,2 prosentin vetolujuuskannan soveltaminen TMD:hen johtaa kuitenkin ro-päästöjen merkittävään vähenemiseen. Kun vetolujuuskanta on 0,4%, tehokasta tehokkuuspudotusta ei ole korkean kirkkauden alla, ja materiaali voi säilyttää lähes 100% fotoluminesenssin kvanttituotoksen riippumatta exciton-tiheydestä.
Tiimin analyysi osoittaa, että jännityksen vaikutus kvanttituotokseen liittyy puolijohdeenergianauhan rakenteessa olevien "satulapisteiden" olemassaoloon, joka muistuttaa vuoristokanavaa sen energiamaisemassa. Rajoittamattomissa materiaaleissa satulapiste, eli Van Hoven singulariteetin alue, sijaitsee lähellä exciton-tuottavan exciton-tuhon suotuisaa energiaa, mikä parantaa ilon tuhoamista. Hieman taivuttava materiaali voi muotoilla nauhan rakennetta uudelleen ja siirtää satulapistettä kokonaan niin, että van Hoven singulariteetti ei edistä tuhoamista. Tämä puolestaan mahdollistaa enemmän exciton-säteilyn rekombinaatiota ja lisää fotoluminesenssin kvanttituottoa.
Vaikka suurin osa tiimin kokeista sisältää erilaisten kaksiulotteisten materiaalilevyjen mekaanisen kuorinnan, tutkijat voivat myös todistaa rasituksen hyödyllisen vaikutuksen suurten (senttimetritason) WS2-levyjen kvanttituottoon. Kasvatetaan laajennetulla kemiallisella höyryn laskeumaprosessilla. Tutkijat uskovat, että tämä lisälöytö viittaa uuden sukupolven LED-valoihin, joihin tehokkuushäviön leneminen suurella kirkkausasteellä ei vaikuta.
