Wetenschap
Door mechanische spanning uit te oefenen op dit atomair dunne, transparante monolaag halfgeleider resulteert in een materiaal met bijna 100% lichtemissie-efficiëntie. Krediet:Ali Javey/Berkeley Lab
Smartphones, laptops, en verlichtingstoepassingen vertrouwen op light-emitting diodes (LED's) om helder te schijnen. Maar hoe helderder deze LED-technologieën schijnen, hoe inefficiënter ze worden, het vrijgeven van meer energie in de vorm van warmte in plaats van licht.
Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Wetenschap , een team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley heeft een aanpak aangetoond voor het bereiken van bijna 100% lichtemissie-efficiëntie bij alle helderheidsniveaus.
Hun aanpak is gericht op het uitrekken of comprimeren van een dunne halfgeleiderfilm op een manier die de elektronische structuur ervan gunstig verandert.
Het team identificeerde hoe de elektronische structuur van de halfgeleider de interactie tussen de energetische deeltjes in het materiaal dicteerde. Die deeltjes botsen soms en vernietigen elkaar, daarbij energie verliezen als warmte in plaats van licht uit te stralen. Het veranderen van de elektronische structuur van het materiaal verminderde de kans op vernietiging en leidde tot een bijna perfecte omzetting van energie in licht, zelfs bij hoge helderheid.
"Het is altijd gemakkelijker om warmte uit te stralen dan licht, vooral bij hoge helderheidsniveaus. In ons werk hebben we het verliesproces honderdvoudig kunnen verminderen, " zei Ali Javey, een faculteit senior wetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan UC Berkeley.
LED-prestaties zijn afhankelijk van excitonen
De ontdekking van het Berkeley-team werd gedaan met behulp van een enkele, 3-atoom dikke laag van een soort halfgeleidermateriaal, een overgangsmetaal dichalcogenide genoemd, die onder mechanische belasting stond. Deze dunne materialen hebben een unieke kristalstructuur die aanleiding geeft tot unieke elektronische en optische eigenschappen:wanneer hun atomen worden geëxciteerd door een elektrische stroom of schijnend licht, energetische deeltjes genaamd excitonen worden gecreëerd.
Excitons kunnen hun energie afgeven door licht of warmte uit te zenden. De efficiëntie waarmee excitonen licht uitstralen in tegenstelling tot warmte, is een belangrijke maatstaf die de uiteindelijke prestaties van LED's bepaalt. Maar het bereiken van hoge prestaties vereist precies de juiste voorwaarden.
"Als de excitonconcentratie laag is, we hadden eerder ontdekt hoe we een perfecte lichtemissie-efficiëntie konden bereiken, " zei sjeik Zia Uddin, een afgestudeerde student van UC Berkeley en co-hoofdauteur van het papier. Hij en zijn collega's hadden aangetoond dat chemisch of elektrostatisch geladen enkellaagse materialen kunnen leiden tot zeer efficiënte conversie, maar alleen voor een lage concentratie van excitonen.
Voor de hoge excitonconcentratie waarbij optische en elektronische apparaten doorgaans werken, Hoewel, te veel excitonen vernietigen elkaar. Het nieuwe werk van het Berkeley-team suggereert dat de truc om hoge prestaties voor hoge concentraties te bereiken, lag in het aanpassen van de bandstructuur van het materiaal, een elektronische eigenschap die bepaalt hoe excitonen met elkaar omgaan en de kans op vernietiging van excitonen kan verminderen.
"Als er meer opgewonden deeltjes worden gecreëerd, de balans kantelt naar het creëren van meer warmte in plaats van licht. In ons werk, we begrepen eerst hoe dit evenwicht wordt gecontroleerd door de bandstructuur, " zei Hyungjin Kim, een postdoctoraal fellow en co-lead auteur over het werk. Dat inzicht leidde ertoe dat ze voorstelden om de bandstructuur op een gecontroleerde manier aan te passen met behulp van fysieke belasting.
Hoge prestaties onder spanning
De onderzoekers begonnen met het voorzichtig plaatsen van een dunne halfgeleider (wolfraamdisulfide, of WS2) film bovenop een flexibel plastic substraat. Door het plastic substraat te buigen, ze oefenden een kleine hoeveelheid spanning uit op de film. Tegelijkertijd, focusten de onderzoekers een laserstraal met verschillende intensiteiten op de film, met een intensere straal die leidt tot een hogere concentratie van excitonen - een hoge "helderheid" -instelling in een elektronisch apparaat.
Dankzij gedetailleerde optische microscoopmetingen konden de onderzoekers het aantal fotonen dat door het materiaal werd uitgezonden, waarnemen als een fractie van de fotonen die het door de laser had geabsorbeerd. Ze ontdekten dat het materiaal licht uitstraalde met bijna perfecte efficiëntie bij alle helderheidsniveaus door de juiste spanning.
Om het gedrag van het materiaal onder spanning beter te begrijpen, het team voerde analytische modellering uit.
Ze ontdekten dat de warmteverliezende botsingen tussen excitonen worden versterkt door "zadelpunten" - regio's waar een energieoppervlak buigt op een manier die lijkt op een bergpas tussen twee pieken - die van nature voorkomen in de bandstructuur van de enkellaagse halfgeleider.
Door de mechanische belasting toe te passen, veranderde de energie van dat proces enigszins, de excitonen wegtrekken van de zadelpunten. Als resultaat, de neiging van de deeltjes om te botsen werd verminderd, en de vermindering van de efficiëntie bij hoge concentraties geladen deeltjes was geen probleem meer.
"Deze enkellaagse halfgeleidermaterialen zijn intrigerend voor opto-elektronische toepassingen omdat ze op unieke wijze een hoog rendement bieden, zelfs bij hoge helderheidsniveaus en ondanks de aanwezigheid van een groot aantal onvolkomenheden in hun kristallen, ' zei Javey.
Toekomstig werk van het Berkeley Lab-team zal zich richten op het gebruik van het materiaal om echte LED-apparaten te fabriceren voor het verder testen van de hoge efficiëntie van de technologie bij toenemende helderheid.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com