Sekumpulan saintis Amerika mendapati bahawa semikonduktor LED yang sedikit bengkok ke ketebalan atom boleh mengeluarkan cahaya dengan kecekapan hampir 100% dan mengelakkan penurunan kecekapan kerana kecerahan meningkat -yang biasanya melanda LED ini.
Dari skrin telefon pintar ke pencahayaan tenaga rendah, diod pemancar cahaya (LED) telah banyak kali berubah di dunia. Tetapi kecekapan LED cenderung berkurangan kerana kecerahan meningkat-masalah yang sangat menyusahkan untuk bahan semikonduktor dua dimensi yang baru dan menarik, yang dipanggil peralihan logam dihalides (TMDs). Penurunan kecekapan yang ketara bahan-bahan atom nipis ini pada kecerahan yang tinggi menghalang permohonan mereka dalam aplikasi praktikal.
Sekarang, penyelidik di Makmal Kebangsaan Universiti California, Berkeley dan Lawrence Berkeley mungkin telah menemui cara yang sangat mudah untuk memintas halangan kecekapan yang LED ini terdedah kepada dihadapi.
Pasukan ini telah membuktikan bahawa menggunakan ketegangan mekanikal kurang daripada 1% pada TMD boleh menukar struktur elektronik bahan, dan walaupun pada tahap kecerahan yang tinggi, ia adalah mencukupi untuk mencapai hampir 100% kecekapan pelepasan cahaya (iaitu hasil kuantum fotoluminescence) . Pasukan penyelidikan percaya bahawa hasil ini boleh membolehkan generasi baru peralatan LED untuk mengelakkan hakisan kecekapan yang disebabkan oleh peningkatan kecerahan.
Dalam semua LED organik dan beberapa LED tidak organik, penurunan kecekapan pada kecerahan tinggi berakar umbi dalam fenomena yang dipanggil exciton-exciton annihilation (EEA).
Apabila sumber tenaga seperti arus elektrik atau rasuk laser merangsang semikonduktor, ia menendang elektron yang dicas negatif dari band valence semikonduktor ke dalam band konduktif, meninggalkan positif dicas elektron lubang.
Dalam semikonduktor dengan sifat yang betul, pasangan elektron-lubang masih wujud dalam bentuk neutral quasi-zarah yang dipanggil excitons. Gabungan radiasi berikutnya elektron dan lubang dalam excitons menghasilkan pelepasan foton, dengan itu menghasilkan pelepasan cahaya yang dapat dilihat dari LED.
Pada ketumpatan exciton yang rendah, hampir semua excitons mempunyai ruang yang cukup untuk pengkombinan semula radiasi, dan hasil kuantum LED TMD hampir 100%. Walau bagaimanapun, apabila kecerahan LED meningkat dan ketumpatan excitons meningkat, excitons mula bertembung dan memadam satu sama lain, menyebabkan attenuasi tidak radiative, atau EEA, hilang dalam bentuk haba. Hasil: Kecekapan fotoluminescence bahan ultra-nipis ini berkurangan apabila kecerahan meningkat.
Bilangan EEA yang tidak berseri-seri sebahagian besarnya bergantung kepada butiran struktur band tenaga semikonduktor. Pasukan penyelidikan Berkeley mendapati bahawa, terutamanya untuk semikonduktor TMD, bilangan EEAs dipertingkatkan oleh van Hove tunggal.
Singularity van Hove adalah sedikit gangguan dalam struktur tenaga semikonduktor, yang meningkatkan kepadatan negeri-negeri (bilangan negeri-negeri tenaga yang mungkin yang boleh diduduki) pada ketika itu.
Untuk menyelesaikan masalah EEA di bawah kepadatan exciton yang tinggi, penyelidik Berkeley mengkaji kaedah untuk menyesuaikan struktur band tenaga bahan TMD. Mereka mendapati bahawa menggunakan strain uniaxial-literal meregangkan bahan sedikit berfungsi dengan baik.
Dalam eksperimen mereka, pasukan ini memasang banyak TMD yang berbeza, termasuk WS2 lapisan tunggal, WSe2, dan MoS2. Pada substrat plastik yang fleksibel, lapisan nitride boron hexagonal (sebagai penebat pintu) dan lapisan grafen (sebagai pintu) ditambah. electrode). Kemudian, para penyelidik menggunakan berat sebelah voltan pada peranti, teruja bahan dengan rasuk laser untuk menjana excitons, dan mengukur hasil kuantum fotoluminescence bahan sebagai intensiti laser (dan ketumpatan exciton) meningkat.
Pasukan ini mendapati bahawa untuk TMD yang tidak terkawal, seperti yang dijangkakan, hasil kuantum merosot apabila kepadatan exciton meningkat. Walau bagaimanapun, sedikit membengkokkan substrat fleksibel dan menggunakan ketegangan tegangan sebanyak 0.2% kepada TMD akan menyebabkan pengurangan yang ketara dalam jumlah roll-off. Apabila ketegangan tegangan adalah 0.4%, tidak ada penurunan kecekapan yang berkesan di bawah kecerahan yang tinggi, dan bahan itu boleh mengekalkan hampir 100% hasil kuantum fotoluminescence tanpa mengira kepadatan exciton.
Analisis pasukan menunjukkan bahawa kesan ketegangan terhadap hasil kuantum adalah berkaitan dengan kewujudan "mata saddle" dalam struktur band tenaga semikonduktor yang serupa dengan saluran gunung dalam landskap tenaganya. Dalam bahan-bahan yang tidak terkawal, titik saddle, iaitu, rantau singularity Van Hove, terletak berhampiran tenaga yang baik dari anasir exciton yang menghasilkan exciton, dengan itu meningkatkan tahap anasir-anasir exciton. Sedikit membengkokkan bahan boleh membentuk semula struktur band dan menggerakkan sepenuhnya titik saddle supaya van Hove tunggal tidak kondusif untuk exciton anihilation. Ini, seterusnya, membolehkan lebih banyak pengkombinan radiasi exciton dan meningkatkan hasil kuantum fotoluminescence.
Walaupun kebanyakan eksperimen pasukan melibatkan mengupas mekanikal pelbagai helaian bahan dua dimensi, para penyelidik juga boleh membuktikan kesan berfaedah ketegangan pada hasil kuantum lembaran WS2 kawasan besar (sentimeter-level). Ditanam oleh proses pemendapan wap kimia yang dilanjutkan. Para penyelidik percaya bahawa penemuan tambahan ini menunjukkan prospek generasi baru LED yang tidak terjejas oleh kehilangan kecekapan pada kecerahan yang tinggi.
