Un grupo de científicos estadounidenses descubrió que los semiconductores LED que están ligeramente doblados a un espesor atómico pueden emitir luz con una eficiencia cercana al 100% y evitar una caída en la eficiencia a medida que aumenta el brillo, lo que generalmente afecta a estos LED.
Desde pantallas de teléfonos inteligentes hasta iluminación de bajo consumo, los diodos emisores de luz (LED) han cambiado el mundo muchas veces. Pero la eficiencia de los LED tiende a disminuir a medida que aumenta el brillo, un problema que es particularmente problemático para un nuevo e interesante material semiconductor bidimensional, los llamados dihaluros de metales de transición (TMD). La caída significativa de la eficiencia de estos materiales atómicamente delgados a alto brillo dificulta su aplicación en aplicaciones prácticas.
Ahora, los investigadores de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley pueden haber encontrado una manera muy simple de evitar las barreras de eficiencia que estos LED son propensos a encontrar.
El equipo ha demostrado que la aplicación de una tensión mecánica de menos del 1% en el TMD puede cambiar la estructura electrónica del material, e incluso a altos niveles de brillo, es suficiente para lograr una eficiencia de emisión de luz de casi el 100% (es decir, rendimiento cuántico de fotoluminiscencia). El equipo de investigación cree que este resultado puede permitir una nueva generación de equipos LED para evitar la erosión de la eficiencia causada por el aumento del brillo.
En todos los LED orgánicos y algunos inorgánicos, la caída en la eficiencia a alto brillo tiene sus raíces en un fenómeno llamado aniquilación de excitón-excitón (EEA).
Cuando una fuente de energía, como una corriente eléctrica o un rayo láser, excita un semiconductor, patea electrones cargados negativamente desde la banda de valencia del semiconductor hacia la banda de conducción, dejando agujeros de electrones cargados positivamente.
En los semiconductores con las propiedades correctas, los pares electrón-agujero todavía existen en forma de cuasipartículas neutras llamadas excitones. La posterior recombinación de radiación de electrones y agujeros en los excitones da como resultado la emisión de fotones, produciendo así la emisión de luz visible del LED.
A baja densidad de excitones, casi todos los excitones tienen suficiente espacio para la recombinación de radiación, y el rendimiento cuántico de TMD LED es cercano al 100%. Sin embargo, a medida que aumenta el brillo del LED y aumenta la densidad de los excitones, los excitones comienzan a chocar y borrarse entre sí, lo que resulta en una atenuación no radiativa, o EEA, disipada en forma de calor. Resultado: La eficiencia de fotoluminiscencia de este material ultrafino disminuye a medida que aumenta el brillo.
El número de EAE no radiativos depende en gran medida de los detalles de la estructura de la banda de energía del semiconductor. El equipo de investigación de Berkeley descubrió que, especialmente para los semiconductores TMD, el número de EEAs se ve mejorado por la singularidad de van Hove.
La singularidad de van Hove es una ligera distorsión en la estructura energética de un semiconductor, que aumenta la densidad de estados (el número de estados de energía posibles que se pueden ocupar) en ese punto.
Con el fin de resolver el problema del EEE bajo alta densidad de excitón, los investigadores de Berkeley estudiaron métodos para ajustar la estructura de la banda de energía de los materiales TMD. Descubrieron que la aplicación de tensión uniaxial, literalmente estirando el material ligeramente, funciona bien.
En sus experimentos, el equipo instaló muchos TMD diferentes, incluidos WS2, WSe2 y MoS2 de una sola capa. En un sustrato de plástico flexible, se agregaron una capa hexagonal de nitruro de boro (como aislante de compuerta) y una capa de grafeno (como puerta). electrodo). Luego, los investigadores aplicaron un sesgo de voltaje en el dispositivo, excitaron el material con un rayo láser para generar excitones y midieron el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia del material a medida que aumentaba la intensidad del láser (y la densidad del excitón).
El equipo descubrió que para el TMD no entrenado, como se esperaba, el rendimiento cuántico decae a medida que aumenta la densidad del excitón. Sin embargo, doblar ligeramente el sustrato flexible y aplicar una tensión de tracción del 0,2% al TMD dará como resultado una reducción significativa en la cantidad de roll-off. Cuando la tensión de tracción es del 0,4%, no hay una caída de eficiencia efectiva bajo alto brillo, y el material puede mantener un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de casi el 100%, independientemente de la densidad del excitón.
El análisis del equipo muestra que el efecto de la tensión en el rendimiento cuántico está relacionado con la existencia de "puntos de sillín" en la estructura de la banda de energía del semiconductor, similar al canal de montaña en su paisaje energético. En materiales no entrenados, el punto de sillín, es decir, la región de la singularidad de Van Hove, se encuentra cerca de la energía favorable de la aniquilación del excitón que produce excitón, mejorando así el nivel de aniquilación del excitón. Doblar ligeramente el material puede remodelar la estructura de la banda y mover completamente el punto del sillín para que la singularidad de van Hove no sea propicia para la aniquilación del excitón. Esto, a su vez, permite una mayor recombinación de radiación de excitón y aumenta el rendimiento cuántico de la fotoluminiscencia.
Aunque la mayoría de los experimentos del equipo implican el peeling mecánico de varias láminas de material bidimensionales, los investigadores también pueden probar el efecto beneficioso de la tensión en el rendimiento cuántico de las láminas WS2 de gran área (a nivel de centímetro). Cultivado mediante un proceso de deposición química de vapor extendido. Los investigadores creen que este descubrimiento adicional apunta a la perspectiva de una nueva generación de LED que no se vean afectados por la atenuación de la pérdida de eficiencia a alto brillo.
