Eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler entdeckte, dass LED-Halbleiter, die leicht auf eine Atomdicke gebogen sind, Licht mit einer Effizienz von fast 100 % emittieren und einen Effizienzabfall bei zunehmender Helligkeit vermeiden können, der diese LEDs normalerweise quält.
Von Smartphone-Bildschirmen bis hin zu energiesparender Beleuchtung haben Leuchtdioden (LEDs) die Welt vielfach verändert. Die Effizienz von LEDs nimmt jedoch tendenziell mit zunehmender Helligkeit ab – ein Problem, das für ein neues und interessantes zweidimensionales Halbleitermaterial, die sogenannten Übergangsmetalldihalogenide (TMDs), besonders problematisch ist. Der deutliche Wirkungsgradabfall dieser atomar dünnen Materialien bei hoher Helligkeit behindert ihre Anwendung in praktischen Anwendungen.
Forscher der University of California, Berkeley und des Lawrence Berkeley National Laboratory haben möglicherweise einen sehr einfachen Weg gefunden, die Effizienzbarrieren zu umgehen, denen diese LEDs ausgesetzt sind.
Das Team hat bewiesen, dass eine mechanische Belastung von weniger als 1% auf das TMD die elektronische Struktur des Materials verändern kann und selbst bei hohen Helligkeitsniveaus ausreicht, um eine Lichtemissionseffizienz von fast 100% (dh Photolumineszenz-Quantenausbeute) zu erreichen. . Das Forschungsteam glaubt, dass dieses Ergebnis einer neuen Generation von LED-Geräten ermöglichen kann, Effizienzverluste durch erhöhte Helligkeit zu vermeiden.
Bei allen organischen und einigen anorganischen LEDs ist der Effizienzabfall bei hoher Helligkeit auf ein Phänomen zurückzuführen, das als Exziton-Exziton-Annihilation (EEA) bezeichnet wird.
Wenn eine Energiequelle wie ein elektrischer Strom oder ein Laserstrahl einen Halbleiter erregt, schießt sie negativ geladene Elektronen aus dem Valenzband des Halbleiters in das Leitungsband und hinterlässt positiv geladene Elektronenlöcher.
In Halbleitern mit den richtigen Eigenschaften existieren noch Elektron-Loch-Paare in Form von neutralen Quasiteilchen, den Exzitonen. Die anschließende Strahlungsrekombination von Elektronen und Löchern in den Exzitonen führt zur Emission von Photonen, wodurch eine sichtbare Lichtemission von der LED erzeugt wird.
Bei niedriger Exzitonendichte haben fast alle Exzitonen genügend Platz für die Strahlungsrekombination und die Quantenausbeute der TMD-LED liegt nahe bei 100 %. Wenn jedoch die Helligkeit der LED zunimmt und die Dichte der Exzitonen zunimmt, beginnen die Exzitonen zu kollidieren und sich gegenseitig zu löschen, was zu einer nicht-strahlenden Dämpfung oder EEA führt, die in Form von Wärme abgeführt wird. Ergebnis: Die Photolumineszenz-Effizienz dieses ultradünnen Materials nimmt mit zunehmender Helligkeit ab.
Die Anzahl der nichtstrahlenden EEAs hängt weitgehend von den Details der Halbleiterenergiebandstruktur ab. Das Berkeley-Forschungsteam fand heraus, dass insbesondere bei TMD-Halbleitern die Anzahl der EEAs durch die van Hove-Singularität erhöht wird.
Die van-Hove-Singularität ist eine leichte Verzerrung in der Energiestruktur eines Halbleiters, die die Zustandsdichte (die Anzahl der möglichen Energiezustände, die besetzt werden können) an diesem Punkt erhöht.
Um das EEA-Problem bei hoher Exzitonendichte zu lösen, untersuchten Berkeley-Forscher Methoden zur Anpassung der Energiebandstruktur von TMD-Materialien. Sie fanden heraus, dass das Anwenden einer einachsigen Dehnung – buchstäblich ein leichtes Dehnen des Materials – gut funktioniert.
In ihren Experimenten installierte das Team viele verschiedene TMDs, darunter einlagige WS2, WSe2 und MoS2. Auf einem flexiblen Kunststoffsubstrat wurden eine hexagonale Bornitridschicht (als Gate-Isolator) und eine Graphenschicht (als Gate) hinzugefügt. Elektrode). Dann legten die Forscher eine Vorspannung an das Gerät an, regten das Material mit einem Laserstrahl an, um Exzitonen zu erzeugen, und maßen die Photolumineszenz-Quantenausbeute des Materials mit zunehmender Laserintensität (und Exzitonendichte).
Das Team fand heraus, dass die Quantenausbeute bei ungespannter TMD erwartungsgemäß mit zunehmender Exzitonendichte abnimmt. Ein leichtes Biegen des flexiblen Substrats und Aufbringen einer Zugspannung von 0,2% auf das TMD führt jedoch zu einer erheblichen Verringerung des Abrollbetrags. Wenn die Zugspannung 0,4% beträgt, gibt es keinen effektiven Wirkungsgradabfall bei hoher Helligkeit, und das Material kann unabhängig von der Exzitonendichte eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von fast 100% aufrechterhalten.
Die Analyse des Teams zeigt, dass die Auswirkung der Spannung auf die Quantenausbeute mit der Existenz von"Sattelpunkten" zusammenhängt; in der Halbleiter-Energiebandstruktur - ähnlich dem Bergkanal in seiner Energielandschaft. In ungespannten Materialien liegt der Sattelpunkt, dh der Bereich der Van-Hove-Singularität, in der Nähe der günstigen Energie der Exzitonen-erzeugenden Exzitonenvernichtung, wodurch das Niveau der Exzitonenvernichtung erhöht wird. Ein leichtes Biegen des Materials kann die Bandstruktur umformen und den Sattelpunkt vollständig verschieben, so dass die van Hove-Singularität der Exzitonenvernichtung nicht förderlich ist. Dies wiederum ermöglicht eine stärkere Rekombination von Exzitonenstrahlung und erhöht die Quantenausbeute der Photolumineszenz.
Obwohl die meisten Experimente des Teams das mechanische Ablösen verschiedener zweidimensionaler Materialschichten beinhalten, können die Forscher auch den positiven Einfluss von Dehnungen auf die Quantenausbeute von großflächigen (Zentimeter-Ebene) WS2-Schichten nachweisen. Gezüchtet durch einen erweiterten chemischen Gasphasenabscheidungsprozess. Forscher glauben, dass diese zusätzliche Entdeckung auf die Aussicht auf eine neue Generation von LEDs hinweist, die bei hoher Helligkeit nicht von der Dämpfung des Effizienzverlusts betroffen sind.
