Forskere demonstrerer lavspændings-LED'er

Når atomtynde halvledere kombineres i en Lego -stil, de udsender lys ved en lavere spænding, der potentielt kan føre til lavt energiforbrug.

Selvom denne forskning er i sin grundlæggende tilstand, viser dette løfte om praktiske anvendelser inden for optoelektronik og telekommunikation.

Spændingen af ​​en LED er normalt lig med eller større end båndgab-energien pr. elektronladning. Et team af forskere baseret på University of Manchester, Universitetet i Warszawa, High Magnetic Field Laboratory i Grenoble og National Institute for Materials Science i Japan har været i stand til at demonstrere LED'er, der tænder ved meget lavere spændinger.

Ideen om at stable lag af forskellige materialer for at lave såkaldte heterostrukturer går tilbage til 1960'erne, da halvleder galliumarsenid blev undersøgt til fremstilling af miniaturelasere - som nu er meget brugt.

I dag, heterostrukturer er almindelige og bruges meget bredt i halvlederindustrien som et værktøj til at designe og kontrollere elektroniske og optiske egenskaber i enheder.

Senere i æraen med atomisk tynde todimensionelle (2-D) krystaller, såsom grafen, nye typer heterostrukturer er dukket op, hvor atomisk tynde lag holdes sammen af ​​relativt svage van der Waals-kræfter.

De nye strukturer med tilnavnet 'van der Waals heterostrukturer' åbner et enormt potentiale for at skabe adskillige designermaterialer og nye enheder ved at stable et vilkårligt antal atomisk tynde lag sammen. Hundredvis af kombinationer bliver mulige ellers utilgængelige i traditionelle tredimensionelle materialer, muligvis give adgang til ny uudforsket optoelektronisk enhedsfunktionalitet eller usædvanlige materialegenskaber.

Der er mange eksperimenter udført af forskellige forskningsgrupper i verden, som fokuserer på lysemitterende egenskaber af overgangsmetal dichalcogenider. Imidlertid, ofte udføres disse undersøgelser udelukkende ved hjælp af optiske midler. Til praktiske anvendelser, elektrisk udløst lysemission er mere ønskeligt.

"Det er fascinerende, hvordan tilføjelse af kun et atomtyndt materiale kan ændre en enheds egenskaber så dramatisk. Dette er kraften i van der Waals heterostrukturer i aktion, " siger Dr. Aleksey Kozikov, National Graphene Institute.

Som offentliggjort i Naturkommunikation , holdet ledet af Dr. Aleksey Kozikov, Professor Kostya Novoselov og professor Marek Potemski var i stand til at gøre dette ved hjælp af elektricitet. De bandt elektroner og huller, der sidder i forskellige overgangsmetal dichalcogenider, såkaldte interlayer excitoner. Forskerne skabte eksperimentelle betingelser, når disse excitoner rekombinerer ikke-strålende, Snegleeffekt. Den frigivne energi overføres til andre bærere, som derefter kan bevæge sig til højere energitilstande. Som resultat, ladningsbærere, hvis energi oprindeligt var for lav til at overvinde materialets båndgab, kan nu nemt krydse denne potentielle barriere, rekombinere og udsende lys. Denne effekt kaldes opkonvertering.

Grafenelektroder bruges til elektrisk at injicere ladningsbærere gennem hexagonalt bornitrid stablet i en heterostruktur ind i molybdændisulfid (MoS ₂ ) og Tungsten-diselenid (WSe ₂ ). Ændring af afstanden mellem disse overgangsmetaldichalcogenider ved at tilføje bornitrid imellem gør det muligt at justere lysdioderne fra en normal drift til en lavspændingsoperation og observere effekten af ​​opkonvertering.

Fra det grundlæggende synspunkt markerer de observerede effekter et vigtigt skridt hen imod realiseringen af ​​excitonkondensering og superfluiditet af van der Waals heterostrukturer.

Dr. Johannes Binder, den første forfatter til papiret, fra University of Warszawa sagde:"Da vi begyndte at måle den første MoS ₂ /WSe ₂ enheder, vi var virkelig overraskede over at observere emission ved så lave påførte spændinger. Denne opkonverterede emission viser på imponerende vis vigtigheden af ​​Auger-processer for interlayer-excitoner i van der Waals heterostrukturer. Vores resultater kaster mere lys over fysikken i det stort set uudforskede regime med høj bærertæthed, som er afgørende for optoelektroniske applikationer såvel som for fundamentale fænomener som interlayer exciton kondensation."

Dr. Aleksey Kozikov tilføjede:"Det er fascinerende, hvordan tilføjelse af blot ét atomisk tyndt materiale kan ændre en enheds egenskaber så dramatisk. Dette er kraften i van der Waals heterostrukturer i aktion."