En grupp amerikanska forskare upptäckte att LED-halvledare som är något böjda till atomtjocklek kan avge ljus med en verkningsgrad nära 100% och undvika en minskning av effektiviteten när ljusstyrkan ökar-vilket vanligtvis plågar dessa lysdioder.
Från smarttelefonskärmar till lågenergibelysning, ljusdioder (LED) har förändrat världen många gånger. Men effektiviteten hos lysdioder tenderar att minska när ljusstyrkan ökar-ett problem som är särskilt besvärligt för ett nytt och intressant tvådimensionellt halvledarmaterial, de så kallade övergångsmetalldihalogeniderna (TMD). Det betydande effektivitetsfallet av dessa atomtunna material vid hög ljusstyrka hindrar deras tillämpning i praktiska tillämpningar.
Nu kan forskare vid University of California, Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory ha hittat ett mycket enkelt sätt att kringgå de effektivitetshinder som dessa lysdioder är benägna att möta.
Teamet har bevisat att applicering av en mekanisk belastning på mindre än 1% på TMD kan förändra materialets elektroniska struktur, och även vid höga ljusstyrkor är det tillräckligt för att uppnå nästan 100% ljusutsläppseffektivitet (dvs. fotoluminescenskvantutbyte) . Forskargruppen tror att detta resultat kan möjliggöra för en ny generation LED -utrustning att undvika effektivitetserosion orsakad av ökad ljusstyrka.
I alla organiska och vissa oorganiska lysdioder är minskningen av effektiviteten vid hög ljusstyrka förankrad i ett fenomen som kallas exciton-exciton-förintelse (EEA).
När en energikälla som en elektrisk ström eller en laserstråle exciterar en halvledare, sparkar den negativt laddade elektroner från halvledarens valensband in i ledningsbandet och lämnar positivt laddade elektronhål.
I halvledare med rätt egenskaper finns det fortfarande elektronhålspar i form av neutrala kvasipartiklar som kallas excitoner. Den efterföljande strålningsrekombinationen av elektroner och hål i excitonerna resulterar i utsläpp av fotoner och producerar därigenom synligt ljusemission från lysdioden.
Vid låg excitontäthet har nästan alla excitoner tillräckligt med utrymme för strålningsrekombination, och kvantutbytet för TMD LED är nära 100%. Men när ljusstyrkan på LED-lamporna ökar och excitonernas täthet ökar börjar excitonerna kollidera och radera varandra, vilket resulterar i icke-strålningsdämpning eller EEA som försvinner i form av värme. Resultat: Fotoluminescenseffektiviteten för detta ultratunna material minskar när ljusstyrkan ökar.
Antalet icke-strålande EES beror till stor del på detaljerna i halvledarens energibandstruktur. Berkeley -forskargruppen fann att, särskilt för TMD -halvledare, ökas antalet EES genom van Hove -singulariteten.
Van Hove -singulariteten är en liten snedvridning av en halvledares energistruktur, vilket ökar tätheten av tillstånd (antalet möjliga energitillstånd som kan ockuperas) vid den tidpunkten.
För att lösa EES -problemet under hög excitontäthet studerade Berkeley -forskare metoder för att justera energibandstrukturen för TMD -material. De fann att applicering av enaxlig stam-bokstavligen stretching av materialet något fungerar bra.
I sina experiment installerade teamet många olika TMD: er, inklusive WS2, WSe2 och MoS2 i ett lager. På ett flexibelt plastsubstrat tillsattes ett sexkantigt bornitridskikt (som en grindisolator) och ett grafenskikt (som en grind). elektrod). Därefter applicerade forskarna en spänningsförspänning på enheten, upphetsade materialet med en laserstråle för att generera excitoner och mätte materialets fotoluminescenskvantutbyte när laserintensiteten (och excitontätheten) ökade.
Teamet fann att för osträckt TMD, som förväntat, sjunker kvantutbytet när excitontätheten ökar. Att böja det flexibla substratet något och applicera en dragspänning på 0,2% på TMD kommer dock att resultera i en betydande minskning av mängden avrullning. När dragspänningen är 0,4% finns det inget effektivt effektivitetsfall under hög ljusstyrka och materialet kan bibehålla nästan 100% fotoluminescenskvantutbyte oavsett excitondensitet.
Teamets analys visar att spänningens effekt på kvantutbytet är relaterat till förekomsten av" sadelpunkter" i halvledarenergibandstrukturen-liknande bergskanalen i dess energilandskap. I osträckta material är sadelpunkten, det vill säga regionen i Van Hove-singulariteten, belägen nära den gynnsamma energin för excitonproducerande excitonförstöring, vilket ökar nivån av excitonförintelse. Lätt böjning av materialet kan omforma bandstrukturen och helt flytta sadelpunkten så att van Hove -singulariteten inte bidrar till excitonutplånning. Detta möjliggör i sin tur mer excitonstrålningsrekombination och ökar kvantutbytet av fotoluminescens.
Även om de flesta av teamets experiment innefattar mekanisk avskalning av olika tvådimensionella materialark, kan forskarna också bevisa den fördelaktiga effekten av belastning på kvantutbytet av WS2-ark med stor yta (centimeter). Odlas av en utökad process för kemisk ångavsättning. Forskare tror att denna ytterligare upptäckt pekar på utsikterna till en ny generation lysdioder som inte påverkas av effektivitetsförlustdämpning vid hög ljusstyrka.
