گروهی از دانشمندان آمریکایی دریافتند که نیمه هادی های LED که کمی به ضخامت اتمی خم شده اند می توانند با بازدهی نزدیک به 100٪ نور ساطع کرده و با افزایش روشنایی از افت کارایی جلوگیری کنند-که معمولاً این LED ها را گرفتار می کند.
از صفحه نمایش تلفن های هوشمند گرفته تا نور کم مصرف ، دیودهای ساطع کننده نور (LED) بارها دنیا را تغییر داده است. اما با افزایش روشنایی ، کارایی LED ها کاهش می یابد-مشکلی که مخصوصاً برای یک ماده نیمه هادی جدید و جالب دو بعدی ، به اصطلاح دی هالیدهای فلز گذار (TMDs) دردسرساز است. افت کارایی قابل توجه این مواد نازک اتمی در روشنایی بالا مانع از کاربرد آنها در کاربردهای عملی می شود.
در حال حاضر ، محققان دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ممکن است راهی بسیار ساده برای دور زدن موانع کارایی که این LED ها با آن روبرو هستند ، پیدا کرده باشند.
تیم ثابت کرده است که اعمال فشار مکانیکی کمتر از 1 on بر روی TMD می تواند ساختار الکترونیکی مواد را تغییر دهد و حتی در سطوح روشنایی بالا ، دستیابی به راندمان انتشار 100٪ نور (به عنوان مثال بازده کوانتومی فوتولومینسانس) کافی است. به تیم تحقیق معتقد است که این نتیجه می تواند نسل جدیدی از تجهیزات LED را قادر سازد تا از فرسایش کارآیی ناشی از افزایش روشنایی جلوگیری کند.
در همه LED های ارگانیک و برخی از معدنی ، افت راندمان در روشنایی زیاد ریشه در پدیده ای به نام نابودی exciton-exciton (EEA) دارد.
هنگامی که یک منبع انرژی مانند جریان الکتریکی یا پرتو لیزر یک نیمه هادی را برانگیخته می کند ، الکترون های با بار منفی را از نوار ظرفیت ظرفیت نیمه هادی به باند رسانایی می اندازد و حفره های الکترونی با بار مثبت باقی می گذارد.
در نیمه هادی ها با خواص صحیح ، جفت های حفره الکترون هنوز به شکل شبه ذرات خنثی به نام اکسیتون وجود دارند. ترکیب مجدد تابشی الکترون ها و حفره های موجود در اگزیتون ها منجر به انتشار فوتون ها می شود و در نتیجه باعث انتشار نور مرئی از LED می شود.
در چگالی کم اگزیتون ، تقریباً همه اگزیتون ها فضای کافی برای ترکیب مجدد تابش را دارند و بازده کوانتومی LED TMD نزدیک به 100 است. با این حال ، با افزایش روشنایی LED و افزایش چگالی اگزیتون ها ، اگزیتون ها شروع به برخورد کرده و یکدیگر را از بین می برند و در نتیجه تضعیف غیر تابشی یا EEA به شکل گرما از بین می رود. نتیجه: بازده نوری نور این ماده فوق نازک با افزایش روشنایی کاهش می یابد.
تعداد EEA های غیر تابشی تا حد زیادی به جزئیات ساختار نوار انرژی نیمه هادی بستگی دارد. تیم تحقیقاتی برکلی دریافتند که به ویژه برای نیمه رساناهای TMD ، تعداد EEA ها با تکینگی ون هوو افزایش می یابد.
تکینگی ون هوو یک اعوجاج جزئی در ساختار انرژی یک نیمه هادی است که باعث افزایش چگالی حالات (تعداد حالتهای احتمالی انرژی قابل اشغال) در آن نقطه می شود.
به منظور حل مشکل EEA تحت چگالی تحریک بالا ، محققان برکلی روش هایی را برای تنظیم ساختار نوار انرژی مواد TMD مطالعه کردند. آنها دریافتند که اعمال فشار تک محوری-به معنای واقعی کلمه کشش کمی مواد-به خوبی کار می کند.
در آزمایشات خود ، تیم بسیاری از TMD های مختلف از جمله WS2 تک لایه ، WSe2 و MoS2 را نصب کرد. روی یک بستر پلاستیکی انعطاف پذیر ، یک لایه نیترید بور شش ضلعی (به عنوان عایق دروازه) و یک لایه گرافن (به عنوان یک دروازه) اضافه شد. الکترود) سپس ، محققان جهت گیری ولتاژ را روی دستگاه اعمال کردند ، مواد را با پرتوی لیزر برای ایجاد اگزیتون برانگیختند و با افزایش شدت لیزر (و چگالی اگزیتون) ، عملکرد کوانتومی فوتولومینسانس را اندازه گیری کردند.
این تیم دریافتند که برای TMD بدون فشار ، همانطور که انتظار می رفت ، عملکرد کوانتومی با افزایش چگالی اگزیتون از بین می رود. با این حال ، کمی خم شدن بستر انعطاف پذیر و اعمال فشار کششی 0.2 to به TMD منجر به کاهش قابل توجهی در مقدار رول آف می شود. هنگامی که کرنش کششی 0.4 باشد ، هیچ افت کارآیی موثری در زیر روشنایی بالا وجود ندارد و این ماده می تواند بدون در نظر گرفتن چگالی تحریک ، تقریباً 100٪ عملکرد کوانتومی فوتولومینسانس را حفظ کند.
تجزیه و تحلیل تیم نشان می دهد که تأثیر تنش بر عملکرد کوانتومی مربوط به وجود"؛ نقاط زین"؛ در ساختار باند انرژی نیمه هادی-مشابه کانال کوه در چشم انداز انرژی آن. در مواد بدون زنجیره ، نقطه زین ، یعنی ناحیه تکینگی ون هوو ، در نزدیکی انرژی مطلوب نابودی اکسیتون تولید کننده برانگیختگی قرار دارد و در نتیجه سطح نابودی اگزیتون را افزایش می دهد. کمی خم شدن مواد می تواند ساختار نوار را تغییر داده و نقطه زین را به طور کامل جابجا کند ، به طوری که تکینگی ون هوو برای از بین بردن اگزیتون مناسب نیست. این ، به نوبه خود ، امکان ترکیب مجدد تشعشع اگزیتون را بیشتر می کند و عملکرد کوانتومی نورپردازی را افزایش می دهد.
اگرچه بیشتر آزمایشات تیم شامل لایه برداری مکانیکی ورق های مختلف مواد دو بعدی است ، اما محققان همچنین می توانند اثر مفید کرنش بر عملکرد کوانتومی ورق های WS2 با سطح بزرگ (سانتی متر) را اثبات کنند. با یک فرایند رسوب بخار شیمیایی طولانی مدت رشد می کند. محققان بر این باورند که این کشف اضافی به چشم انداز نسل جدیدی از LED ها اشاره می کند که تحت تأثیر ضعف کاهش کارایی در روشنایی بالا قرار نمی گیرند.
