Μια ομάδα Αμερικανών επιστημόνων ανακάλυψε ότι οι ημιαγωγοί LED που είναι ελαφρώς λυγισμένοι σε ατομικό πάχος μπορούν να εκπέμπουν φως με απόδοση κοντά στο 100% και να αποφύγουν μια πτώση της απόδοσης καθώς αυξάνεται η φωτεινότητα-κάτι που συνήθως μαστίζει αυτά τα LED.
Από τις οθόνες των έξυπνων τηλεφώνων έως τον φωτισμό χαμηλής ενέργειας, οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) έχουν αλλάξει τον κόσμο πολλές φορές. Αλλά η απόδοση των LED τείνει να μειώνεται καθώς αυξάνεται η φωτεινότητα-ένα πρόβλημα που είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό για ένα νέο και ενδιαφέρον δισδιάστατο υλικό ημιαγωγών, τα λεγόμενα μεταλλικά διααλίδια μετάβασης (TMD). Η σημαντική πτώση απόδοσης αυτών των ατομικά λεπτών υλικών σε υψηλή φωτεινότητα εμποδίζει την εφαρμογή τους σε πρακτικές εφαρμογές.
Τώρα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, του Μπέρκλεϊ και του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Μπέρκλεϋ μπορεί να έχουν βρει έναν πολύ απλό τρόπο για να παρακάμψουν τα εμπόδια απόδοσης που είναι επιρρεπή να συναντήσουν αυτά τα LED.
Η ομάδα έχει αποδείξει ότι η εφαρμογή μηχανικού στελέχους μικρότερου του 1% στο TMD μπορεί να αλλάξει την ηλεκτρονική δομή του υλικού και ακόμη και σε υψηλά επίπεδα φωτεινότητας, αρκεί να επιτευχθεί σχεδόν 100% απόδοση εκπομπής φωτός (δηλαδή κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας) Το Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να επιτρέψει σε μια νέα γενιά εξοπλισμού LED να αποφύγει τη διάβρωση αποδοτικότητας που προκαλείται από την αυξημένη φωτεινότητα.
Σε όλες τις οργανικές και κάποιες ανόργανες λυχνίες LED, η πτώση της απόδοσης σε υψηλή φωτεινότητα έχει τις ρίζες της σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται εξόντωση-εξίτον εξόντωση (ΕΟΧ).
Όταν μια πηγή ενέργειας όπως ένα ηλεκτρικό ρεύμα ή μια δέσμη λέιζερ διεγείρει έναν ημιαγωγό, εκτοξεύει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους του ημιαγωγού στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας θετικά φορτισμένες οπές ηλεκτρονίων.
Στους ημιαγωγούς με τις σωστές ιδιότητες, ζεύγη οπών ηλεκτρονίων εξακολουθούν να υπάρχουν με τη μορφή ουδέτερων οιονεί σωματιδίων που ονομάζονται διεγέρτες. Ο επακόλουθος ανασυνδυασμός ακτινοβολίας ηλεκτρονίων και οπών στα εξιτόνια έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτονίων, παράγοντας έτσι εκπομπή ορατού φωτός από το LED.
Σε χαμηλή πυκνότητα εξιτόνου, σχεδόν όλα τα εξιτόνια έχουν αρκετό χώρο για ανασυνδυασμό ακτινοβολίας και η κβαντική απόδοση του LED TMD είναι κοντά στο 100%. Ωστόσο, καθώς η φωτεινότητα της λυχνίας LED αυξάνεται και η πυκνότητα των διεγέρτων αυξάνεται, τα διεγείροντα αρχίζουν να συγκρούονται και να διαγράφονται μεταξύ τους, με αποτέλεσμα τη μη ακτινοβολική εξασθένηση, ή τον ΕΟΧ, να διαχέεται με τη μορφή θερμότητας. Αποτέλεσμα: Η απόδοση φωτοφωταύγειας αυτού του εξαιρετικά λεπτού υλικού μειώνεται καθώς αυξάνεται η φωτεινότητα.
Ο αριθμός των μη ακτινοβολούμενων ΕΟΧ εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις λεπτομέρειες της δομής της ενεργειακής ζώνης ημιαγωγών. Η ερευνητική ομάδα του Μπέρκλεϋ διαπίστωσε ότι, ειδικά για τους ημιαγωγούς TMD, ο αριθμός των ΕΟΧ ενισχύεται από την ιδιαιτερότητα του van Hove.
Η ιδιαιτερότητα του van Hove είναι μια μικρή παραμόρφωση στην ενεργειακή δομή ενός ημιαγωγού, η οποία αυξάνει την πυκνότητα των καταστάσεων (ο αριθμός των πιθανών ενεργειακών καταστάσεων που μπορούν να καταληφθούν) σε εκείνο το σημείο.
Προκειμένου να επιλυθεί το πρόβλημα του ΕΟΧ υπό υψηλή πυκνότητα διεγέρσεων, οι ερευνητές του Μπέρκλεϋ μελέτησαν μεθόδους για την προσαρμογή της δομής της ενεργειακής ζώνης των υλικών TMD. Διαπίστωσαν ότι η εφαρμογή μονοαξονικής καταπόνησης-κυριολεκτικά τεντώνοντας ελαφρώς το υλικό-λειτουργεί καλά.
Στα πειράματά τους, η ομάδα εγκατέστησε πολλά διαφορετικά TMD, συμπεριλαμβανομένων των WS2, WSe2 και MoS2 ενός στρώματος. Σε ένα εύκαμπτο πλαστικό υπόστρωμα, προστέθηκε ένα εξαγωνικό στρώμα νιτριδίου του βορίου (ως μονωτικό πύλης) και ένα στρώμα γραφενίου (ως πύλη). ηλεκτρόδιο). Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν μια προκατάληψη τάσης στη συσκευή, διέγερσαν το υλικό με μια δέσμη λέιζερ για να δημιουργήσουν διεγέρτες και μέτρησαν την κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας του υλικού καθώς η ένταση του λέιζερ (και η πυκνότητα του εξιτόνου) αυξήθηκε.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι για ανεμπόδιστη TMD, όπως ήταν αναμενόμενο, η κβαντική απόδοση διασπάται καθώς αυξάνεται η πυκνότητα του εξιτονίου. Ωστόσο, η ελαφριά κάμψη του εύκαμπτου υποστρώματος και η εφαρμογή μιας τάσης 0,2% στο TMD θα έχει ως αποτέλεσμα μια σημαντική μείωση της ποσότητας του roll-off. Όταν η τάση εφελκυσμού είναι 0,4%, δεν υπάρχει καμία αποτελεσματική πτώση απόδοσης κάτω από υψηλή φωτεινότητα και το υλικό μπορεί να διατηρήσει σχεδόν 100% κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας ανεξάρτητα από την πυκνότητα του διεγέρματος.
Η ανάλυση της ομάδας δείχνει ότι η επίδραση της έντασης στην κβαντική απόδοση σχετίζεται με την ύπαρξη" σημείων σέλας" στη δομή της ενεργειακής ζώνης ημιαγωγών-παρόμοια με το κανάλι του βουνού στο ενεργειακό του τοπίο. Σε ανεμπόδιστα υλικά, το σημείο σέλας, δηλαδή η περιοχή της ιδιαιτερότητας του Van Hove, βρίσκεται κοντά στην ευνοϊκή ενέργεια της εξόντωσης που προκαλεί το εξίτον, αυξάνοντας έτσι το επίπεδο της εξόντωσης του εξιτονίου. Η ελαφρά κάμψη του υλικού μπορεί να αναδιαμορφώσει τη δομή της ζώνης και να μετακινήσει πλήρως το σημείο της σέλας, έτσι ώστε η ιδιαιτερότητα του van Hove να μην ευνοεί τον αφανισμό με διέγερση. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει περισσότερο ανασυνδυασμό ακτινοβολίας exciton και αυξάνει την κβαντική απόδοση της φωτοφωταύγειας.
Παρόλο που τα περισσότερα από τα πειράματα της ομάδας περιλαμβάνουν μηχανική απολέπιση διαφόρων τρισδιάστατων φύλλων υλικού, οι ερευνητές μπορούν επίσης να αποδείξουν την ευεργετική επίδραση του στελέχους στην κβαντική απόδοση των φύλλων WS2 μεγάλης έκτασης (επιπέδου εκατοστού). Καλλιεργείται με εκτεταμένη διαδικασία εναπόθεσης χημικών ατμών. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η πρόσθετη ανακάλυψη δείχνει την προοπτική μιας νέας γενιάς LED που δεν επηρεάζονται από την εξασθένηση της απώλειας απόδοσης σε υψηλή φωτεινότητα.
