Lys fra eksotiske partikeltilstande

En ny type lysdiode er blevet udviklet på TU Wien. Lys produceres fra det strålingsmæssige henfald af excitonkomplekser i lag med kun få atomers tykkelse.

Når partikler binder sig i frit rum, de skaber normalt atomer eller molekyler. Imidlertid, meget mere eksotiske bindingstilstande kan frembringes inde i faste genstande.

Det har forskere ved TU Wien nu formået at udnytte:Såkaldte "multi-particle exciton complexes" er blevet fremstillet ved at påføre elektriske impulser på ekstremt tynde lag af materiale lavet af wolfram og selen eller svovl. Disse excitonklynger er bindingstilstande, der består af elektroner og "huller" i materialet og kan omdannes til lys. Resultatet er en innovativ form for lysemitterende diode, hvor bølgelængden af ​​det ønskede lys kan styres med høj præcision. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Elektroner og huller

I et halvledermateriale, elektrisk ladning kan transporteres på to forskellige måder. På den ene side, elektroner kan bevæge sig lige gennem materialet fra atom til atom, i hvilket tilfælde de tager negativ ladning med sig. På den anden side, hvis der mangler en elektron et sted i halvlederen, vil det punkt være positivt ladet og omtalt som et "hul". Hvis en elektron bevæger sig op fra et naboatom og fylder hullet, det efterlader til gengæld et hul i sin tidligere position. Den vej, huller kan bevæge sig gennem materialet på samme måde som elektroner, men i den modsatte retning.

"Under visse omstændigheder, huller og elektroner kan binde sig til hinanden, " siger prof. Thomas Mueller fra Photonics Institute (Fakultet for Elektroteknik og Informationsteknologi) ved TU Wien. "I lighed med hvordan en elektron kredser om den positivt ladede atomkerne i et brintatom, en elektron kan kredser om det positivt ladede hul i et fast objekt. "

Endnu mere komplekse bindingstilstande er mulige:såkaldte trioner, biexcitoner eller quintoner, der involverer tre, fire eller fem bindingspartnere. "For eksempel, biexcitonen er excitonækvivalenten til brintmolekylet H2, " forklarer Thomas Mueller.

Todimensionelle lag

I de fleste faste stoffer, sådanne bindingstilstande er kun mulige ved ekstremt lave temperaturer. Men situationen er anderledes med såkaldte "todimensionelle materialer, "som kun består af atom-tynde lag. Teamet på TU Wien, hvis medlemmer også omfattede Matthias Paur og Aday Molina-Mendoza, har skabt en smart designet sandwichstruktur, hvor et tyndt lag wolframdiselenid eller wolframdisulfid er låst ind mellem to bornitridlag. En elektrisk ladning kan påføres dette ultratynde lagsystem ved hjælp af grafenelektroder.

"Excitonerne har en meget højere bindingsenergi i todimensionelle lagdelte systemer end i konventionelle faste stoffer og er derfor betydeligt mere stabile. Simple bindingstilstande bestående af elektroner og huller kan påvises selv ved stuetemperatur. Store, excitonkomplekser kan påvises ved lave temperaturer, " rapporterer Thomas Mueller. Forskellige excitonkomplekser kan produceres afhængigt af hvordan systemet forsynes med elektrisk energi ved hjælp af korte spændingsimpulser. Når disse komplekser henfalder, de frigiver energi i form af lys, hvilket er hvordan det nyudviklede lagsystem fungerer som en lysdiode.

"Vores lysende lag-system repræsenterer ikke kun en fantastisk mulighed for at studere excitoner, men er også en innovativ lyskilde, siger Matthias Paur, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi har derfor nu en lysemitterende diode, hvis bølgelængde kan påvirkes specifikt - og meget nemt også, simpelthen ved at ændre formen på den påførte elektriske puls."