LED -materiale skinner under belastning

Smartphones, bærbare computere, og belysningsapplikationer er afhængige af lysdioder (LED'er) for at lyse klart. Men jo lysere disse LED -teknologier skinner, jo mere ineffektive de bliver, frigiver mere energi som varme i stedet for lys.

Nu, som rapporteret i journalen Videnskab , et team ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley har vist en tilgang til at opnå nær 100% lysemissionseffektivitet ved alle lysstyrkeniveauer.

Deres tilgang fokuserer på at strække eller komprimere en tynd halvlederfilm på en måde, der gunstigt ændrer dens elektroniske struktur.

Holdet identificerede, hvordan halvlederens elektroniske struktur dikterede interaktion mellem de energiske partikler i materialet. Disse partikler støder nogle gange sammen og tilintetgør hinanden, mister energi som varme i stedet for at udsende lys i processen. Ændring af materialets elektroniske struktur reducerede sandsynligheden for tilintetgørelse og førte til en næsten perfekt konvertering af energi til lys, selv ved høj lysstyrke.

"Det er altid lettere at udsende varme end at udsende lys, især ved høje lysstyrker. I vores arbejde har vi været i stand til at reducere tabsprocessen hundrede gange, " sagde Ali Javey, en fakultets seniorforsker ved Berkeley Lab og professor i elektroteknik og datalogi ved UC Berkeley.

LED -ydelse afhænger af excitons

Berkeley -teamets opdagelse blev gjort ved hjælp af en enkelt, 3-atom-tykt lag af en type halvledermateriale, kaldet et overgangsmetal dichalcogenid, der blev udsat for mekanisk belastning. Disse tynde materialer har en unik krystalstruktur, der giver anledning til unikke elektroniske og optiske egenskaber:Når deres atomer spændes enten ved at passere en elektrisk strøm eller skinnende lys, der dannes energiske partikler kaldet excitoner.

Excitons kan frigive deres energi enten ved at udsende lys eller varme. Den effektivitet, hvormed excitoner udsender lys i modsætning til varme, er en vigtig metrik, der bestemmer LED'ernes ultimative ydelse. Men at opnå høj ydeevne kræver præcis de rigtige betingelser.

"Når excitonkoncentrationen er lav, vi havde tidligere fundet ud af, hvordan man opnår perfekt lysemissionseffektivitet, "sagde Shiekh Zia Uddin, en UC Berkeley kandidatstuderende og medlederforfatter på papiret. Han og hans kolleger havde vist, at kemisk eller elektrostatisk opladning af enkeltlagsmaterialer kunne føre til højeffektiv konvertering, men kun for en lav koncentration af excitoner.

For den høje excitonkoncentration, ved hvilken optiske og elektroniske apparater typisk fungerer, selvom, for mange excitoner tilintetgør hinanden. Berkeley-teamets nye arbejde tyder på, at tricket til at opnå høj ydeevne for høje koncentrationer lå i at justere materialets båndstruktur, en elektronisk ejendom, der styrer, hvordan excitoner interagerer med hinanden og kan reducere sandsynligheden for exciton -tilintetgørelse.

"Når der bliver skabt flere ophidsede partikler, balancen vipper mod at skabe mere varme i stedet for lys. I vores arbejde, vi forstod først, hvordan denne balance styres af båndstrukturen, "sagde Hyungjin Kim, en postdoktor og medforfatter på værket. Denne forståelse fik dem til at foreslå at ændre båndstrukturen på en kontrolleret måde ved hjælp af fysisk belastning.

Høj ydeevne under belastning

Forskerne startede med omhyggeligt at placere en tynd halvleder (wolframdisulfid, eller WS2) film oven på et fleksibelt plastsubstrat. Ved at bøje plastsubstratet, de påførte filmen en lille smule belastning. På samme tid, forskerne fokuserede en laserstråle med forskellige intensiteter på filmen, med en mere intens stråle, der fører til en højere koncentration af excitoner - en høj "lysstyrke" -indstilling i en elektronisk enhed.

Detaljerede optiske mikroskopmålinger gjorde det muligt for forskerne at observere antallet af fotoner udsendt af materialet som en brøkdel af de fotoner, det havde absorberet fra laseren. De fandt ud af, at materialet udsendte lys med næsten perfekt effektivitet ved alle lysstyrkeniveauer gennem passende belastning.

For yderligere at forstå materialets adfærd under belastning, teamet udførte analytisk modellering.

De fandt ud af, at de varmetabende kollisioner mellem excitoner forstærkes på grund af "sadelpunkter" - områder, hvor en energioverflade krummer på en måde, der ligner et bjergpas mellem to toppe - der findes naturligt i enkeltlags halvlederens båndstruktur.

Anvendelsen af ​​den mekaniske belastning førte til, at energien i denne proces ændrede sig lidt, trække excitonerne væk fra sadelpunkterne. Som resultat, partiklernes tendens til at kollidere blev reduceret, og reduktionen i effektivitet ved høje koncentrationer af ladede partikler holdt op med at være et problem.

"Disse enkeltlags halvledermaterialer er spændende for optoelektroniske applikationer, da de unikt giver høj effektivitet selv ved høje lysstyrkeniveauer og på trods af tilstedeværelsen af ​​et stort antal fejl i deres krystaller, "sagde Javey.

Fremtidigt arbejde fra Berkeley Lab -teamet vil fokusere på at bruge materialet til at fremstille faktiske LED -enheder til yderligere test af teknologiens høje effektivitet under stigende lysstyrke.