Grupa američkih znanstvenika otkrila je da LED poluvodiči koji su blago savijeni do atomske debljine mogu emitirati svjetlost s učinkovitošću blizu 100% i izbjeći pad učinkovitosti s povećanjem svjetline-što obično muči ove LED diode.
Od ekrana pametnih telefona do niskoenergetske rasvjete, svjetlosne diode (LED) promijenile su svijet mnogo puta. No, učinkovitost LED dioda smanjuje se s povećanjem svjetline-problem koji je posebno problematičan za novi i zanimljiv dvodimenzionalni poluvodički materijal, takozvane dihalide prijelaznih metala (TMD). Značajan pad učinkovitosti ovih atomski tankih materijala pri velikoj svjetlini ometa njihovu primjenu u praktičnoj primjeni.
Znanstvenici sa Sveučilišta California, Berkeley i Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley možda su pronašli vrlo jednostavan način zaobilaženja prepreka učinkovitosti s kojima se te LED diode mogu susresti.
Tim je dokazao da primjenom mehaničkog naprezanja manjeg od 1% na TMD može promijeniti elektroničku strukturu materijala, pa čak i pri visokim razinama osvjetljenja, dovoljno je postići gotovo 100% učinkovitost emisije svjetlosti (tj. Kvantni prinos fotoluminiscencije) . Istraživački tim vjeruje da ovaj rezultat može omogućiti novoj generaciji LED opreme izbjeći eroziju učinkovitosti uzrokovanu povećanom svjetlinom.
U svim organskim i nekim anorganskim LED-ima pad učinkovitosti pri visokoj svjetlini ukorijenjen je u fenomenu koji se naziva eksciton-eksciton uništavanje (EEA).
Kad izvor energije, poput električne struje ili laserske zrake, pobudi poluvodič, izbacuje negativno nabijene elektrone iz valentnog područja poluvodiča u vodljivu zonu, ostavljajući pozitivno nabijene elektronske rupe.
U poluvodičima s ispravnim svojstvima još uvijek postoje parovi elektron-rupa u obliku neutralnih kvazi-čestica zvanih ekscitoni. Naknadna rekombinacija zračenja elektrona i rupa u ekscitonima rezultira emisijom fotona, stvarajući tako vidljivu emisiju svjetla iz LED -a.
Pri niskoj gustoći ekscitona, gotovo svi ekscitoni imaju dovoljno prostora za rekombinaciju zračenja, a kvantni prinos TMD LED je blizu 100%. Međutim, kako se svjetlina LED-a povećava, a gustoća ekscitona raste, ekscitoni se počinju sudariti i međusobno se brisati, što rezultira slabljenjem bez zračenja ili EEA-om, koji se rasipa u obliku topline. Rezultat: Učinkovitost fotoluminiscencije ovog ultra tankog materijala smanjuje se s povećanjem svjetline.
Broj neradijacijskih EEA uvelike ovisi o pojedinostima strukture energetskog pojasa poluvodiča. Istraživački tim Berkeleyja otkrio je da je, osobito za poluvodiče TMD, broj EEA -a povećan van Hoveovom singularnošću.
Van Hoveov singularitet je blago izobličenje energetske strukture poluvodiča, što povećava gustoću stanja (broj mogućih energetskih stanja koja se mogu zauzeti) u toj točki.
Kako bi riješili problem EGP -a pod velikom gustoćom ekscitona, istraživači s Berkeleya proučavali su metode za prilagodbu strukture energetskog pojasa TMD materijala. Otkrili su da primjena jednoosnog naprezanja-doslovno rastezanje materijala-dobro funkcionira.
Tim je u svojim eksperimentima instalirao mnogo različitih TMD-ova, uključujući jednoslojne WS2, WSe2 i MoS2. Na fleksibilnu plastičnu podlogu dodan je šesterokutni sloj bor nitrida (kao izolator kapije) i sloj grafena (kao vrata). elektroda). Zatim su istraživači primijenili napon na uređaj, pobudili materijal laserskim snopom za generiranje ekscitona i izmjerili kvantni prinos materijala fotoluminiscencije s povećanjem intenziteta lasera (i gustoće ekscitona).
Tim je otkrio da za neograničeni TMD, kako se očekivalo, kvantni prinos opada s povećanjem gustoće ekscitona. Međutim, blago savijanje fleksibilne podloge i nanošenje vlačne deformacije od 0,2% na TMD rezultirat će značajnim smanjenjem količine otpuštanja. Kada vlačno naprezanje iznosi 0,4%, nema efektivnog pada učinkovitosti pod visokom svjetlinom, a materijal može održati gotovo 100% kvantni prinos fotoluminiscencije bez obzira na gustoću ekscitona.
Timska analiza pokazuje da je učinak napetosti na kvantni prinos povezan s postojanjem&"sedalnih točaka [GG" quot; u energetskoj zoni poluvodiča-slična planinskom kanalu u svom energetskom krajoliku. U nenapetim materijalima sedalna točka, odnosno područje Van Hoveove singularnosti, nalazi se u blizini povoljne energije uništavanja ekscitona koji proizvodi eksciton, čime se povećava razina uništavanja ekscitona. Blago savijanje materijala može preoblikovati strukturu trake i potpuno pomaknuti sedlo tako da van Hoveova posebnost ne pogoduje uništavanju ekscitona. To pak omogućuje veću rekombinaciju zračenja ekscitona i povećava kvantni prinos fotoluminiscencije.
Iako većina eksperimenata tima uključuje mehaničko ljuštenje različitih dvodimenzionalnih materijala, istraživači također mogu dokazati blagotvoran učinak naprezanja na kvantni prinos listova velike površine (na razini centimetara) WS2. Uzgojeno produženim postupkom taloženja kemijskim parama. Istraživači vjeruju da ovo dodatno otkriće ukazuje na mogućnost nove generacije LED dioda na koje ne utječe slabljenje gubitka učinkovitosti pri velikoj svjetlini.
