Grupė amerikiečių mokslininkų atrado, kad šviesos diodų puslaidininkiai, šiek tiek sulenkti iki atominio storio, gali skleisti šviesą, kurios efektyvumas yra beveik 100%, ir išvengti efektyvumo sumažėjimo didėjant ryškumui, o tai dažniausiai kamuoja šiuos šviesos diodus.
Nuo išmaniųjų telefonų ekranų iki mažai energijos naudojančio apšvietimo šviesos diodai (LED) daug kartų pakeitė pasaulį. Tačiau šviesos diodų efektyvumas mažėja didėjant ryškumui-problema, kuri ypač vargina naują ir įdomią dvimatę puslaidininkinę medžiagą, vadinamuosius pereinamojo metalo dihalidus (TMD). Didelis šių atomiškai plonų medžiagų efektyvumo sumažėjimas esant dideliam ryškumui trukdo jas pritaikyti praktikoje.
Dabar Kalifornijos universiteto, Berklio ir Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos mokslininkai galėjo rasti labai paprastą būdą, kaip apeiti efektyvumo kliūtis, su kuriomis susiduria šie šviesos diodai.
Komanda įrodė, kad taikant TMD mechaninę įtampą, mažesnę nei 1%, gali pasikeisti elektroninė medžiagos struktūra, ir net esant dideliam ryškumo lygiui pakanka pasiekti beveik 100% šviesos spinduliavimo efektyvumą (ty fotoliuminescencijos kvantinį derlių) . Tyrimo grupė mano, kad šis rezultatas gali padėti naujos kartos LED įrangai išvengti efektyvumo erozijos, kurią sukelia padidėjęs ryškumas.
Visuose organiniuose ir kai kuriuose neorganiniuose šviesos dioduose efektyvumo sumažėjimas esant dideliam ryškumui yra susijęs su reiškiniu, vadinamu eksitono-eksitono sunaikinimu (EEE).
Kai energijos šaltinis, pvz., Elektros srovė ar lazerio spindulys sužadina puslaidininkį, jis išstumia neigiamai įkrautus elektronus iš puslaidininkio valentinės juostos į laidumo juostą, palikdamas teigiamai įkrautas elektronų skyles.
Puslaidininkiuose su teisingomis savybėmis elektronų skylių poros vis dar egzistuoja neutralių kvazi dalelių, vadinamų eksitonais, pavidalu. Vėlesnis elektronų ir eksitonų skylių rekombinacijos spinduliavimas sukelia fotonų spinduliavimą ir taip sukuria matomą šviesos spinduliavimą iš LED.
Esant mažam eksitono tankiui, beveik visi eksitonai turi pakankamai vietos spinduliuotės rekombinacijai, o TMD LED kvantinis derlius yra beveik 100%. Tačiau, didėjant šviesos diodo ryškumui ir didėjant eksitonų tankiui, eksitonai pradeda susidurti ir vienas kitą ištrinti, todėl atsiranda spinduliuotės slopinimas, arba EEA, išsisklaidantis šilumos pavidalu. Rezultatas: didėjant ryškumui šios itin plonos medžiagos fotoliuminescencijos efektyvumas mažėja.
Nespinduliuojančių EEE skaičius daugiausia priklauso nuo puslaidininkių energijos juostos struktūros detalių. Berklio tyrimų grupė nustatė, kad, ypač TMD puslaidininkių atveju, EEE skaičių padidina van Hove išskirtinumas.
Van Hove singuliarumas yra nedidelis puslaidininkio energijos struktūros iškraipymas, dėl kurio padidėja būsenų tankis (galimų užimamų energijos būsenų skaičius).
Siekdami išspręsti EEE problemą esant dideliam eksitono tankiui, Berkeley tyrėjai ištyrė TMD medžiagų energijos juostos struktūros koregavimo metodus. Jie nustatė, kad naudojant vienaašę įtampą, tiesiogine prasme ištempiant medžiagą, tai gerai veikia.
Savo eksperimentuose komanda įdiegė daugybę skirtingų TMD, įskaitant vieno sluoksnio WS2, WSe2 ir MoS2. Ant lankstaus plastiko pagrindo buvo pridėtas šešiakampis boro nitrido sluoksnis (kaip vartų izoliatorius) ir grafeno sluoksnis (kaip vartai). elektrodas). Tada tyrėjai pritaikė prietaisui įtampos šališkumą, sužadino medžiagą lazerio spinduliu, kad susidarytų eksitonai, ir išmatavo medžiagos fotoliuminescencijos kvantinę išeigą, padidėjus lazerio intensyvumui (ir eksitono tankiui).
Komanda nustatė, kad nesuvaržyto TMD atveju, kaip ir tikėtasi, kvantinis derlius mažėja didėjant eksitono tankiui. Tačiau šiek tiek sulenkus lankstų pagrindą ir pritaikius tempimo tempą 0,2% TMD, žymiai sumažės riedėjimo kiekis. Kai tempimo deformacija yra 0,4%, efektyvus efektyvumo sumažėjimas esant dideliam ryškumui nėra, o medžiaga gali išlaikyti beveik 100% fotoliuminescencijos kvantinį derlių, nepriklausomai nuo eksitono tankio.
Komandos analizė rodo, kad įtampos poveikis kvantiniam derliui yra susijęs su &, balno taškų&buvimu. puslaidininkių energijos juostos struktūroje-panaši į kalnų kanalą savo energetiniame kraštovaizdyje. Nesuvaržytose medžiagose balnelio taškas, tai yra Van Hove singuliarumo sritis, yra netoli palankios eksitoną gaminančios eksitono sunaikinimo energijos, taip padidindamas eksitono sunaikinimo lygį. Šiek tiek sulenkus medžiagą, gali būti pakeista juostos struktūra ir visiškai perkeltas balnelio taškas, kad van Hove išskirtinumas nebūtų palankus sužadinimo sužadinimui. Tai, savo ruožtu, leidžia daugiau eksitono spinduliuotės rekombinacijos ir padidina fotoliuminescencijos kvantinį derlių.
Nors dauguma komandos eksperimentų yra susiję su mechaniniu įvairių dvimatių medžiagų lakštų lupimu, tyrėjai taip pat gali įrodyti teigiamą įtempimo poveikį didelio ploto (centimetro lygio) WS2 lakštų kvantiniam derliui. Auginamas naudojant išplėstinį cheminio nusodinimo garais procesą. Mokslininkai mano, kad šis papildomas atradimas rodo naujos kartos šviesos diodų, kuriems neveikia efektyvumo nuostolių slopinimas esant dideliam ryškumui, perspektyvą.
