Aan de TU Wien is een nieuw type light-emitting diode ontwikkeld. Licht wordt geproduceerd door het stralingsverval van excitoncomplexen in lagen van slechts enkele atomen dik.

Wanneer deeltjes in de vrije ruimte binden, ze creëren normaal gesproken atomen of moleculen. Echter, veel meer exotische bindingstoestanden kunnen worden geproduceerd in vaste objecten.

Daar hebben onderzoekers van de TU Wien nu gebruik van gemaakt:zogenaamde 'multi-particle exciton complexs' zijn geproduceerd door elektrische pulsen toe te passen op extreem dunne materiaallagen van wolfraam en selenium of zwavel. Deze excitonclusters zijn bindingstoestanden die bestaan ​​uit elektronen en "gaten" in het materiaal en kunnen worden omgezet in licht. Het resultaat is een innovatieve vorm van light-emitting diode waarin de golflengte van het gewenste licht met hoge precisie kan worden geregeld. Deze bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Elektronen en gaten

In een halfgeleidermateriaal, elektrische lading kan op twee verschillende manieren worden getransporteerd. Aan de ene kant, elektronen kunnen dwars door het materiaal van atoom naar atoom bewegen en nemen dan een negatieve lading mee. Anderzijds, als er ergens in de halfgeleider een elektron ontbreekt, wordt dat punt positief geladen en wordt het een 'gat' genoemd. Als een elektron omhoog beweegt van een naburig atoom en het gat vult, het laat op zijn beurt een gat achter in zijn vorige positie. Op die manier, gaten kunnen op dezelfde manier als elektronen door het materiaal bewegen, maar in de tegenovergestelde richting.

"Onder bepaalde omstandigheden, gaten en elektronen kunnen aan elkaar binden, " zegt prof. Thomas Mueller van het Fotonica Instituut (Faculteit Elektrotechniek en Informatietechnologie) aan de TU Wien. "Vergelijkbaar met hoe een elektron rond de positief geladen atoomkern in een waterstofatoom draait, een elektron kan rond het positief geladen gat in een vast object draaien."

Er zijn nog complexere bindingstoestanden mogelijk:zogenaamde trions, bi-excitons of quintons die betrekking hebben op drie, vier of vijf bonding partners. "Bijvoorbeeld, de bi-exciton is het exciton-equivalent van het waterstofmolecuul H2, ", legt Thomas Müller uit.

Tweedimensionale lagen

In de meeste vaste stoffen, dergelijke bindingstoestanden zijn alleen mogelijk bij extreem lage temperaturen. De situatie is echter anders bij zogenaamde "tweedimensionale materialen, " die alleen uit atoomdunne lagen bestaan. Het team van TU Wien, wiens leden ook Matthias Paur en Aday Molina-Mendoza waren, heeft een slim ontworpen sandwichstructuur gecreëerd waarin een dunne laag wolfraamdiselenide of wolfraamdisulfide is opgesloten tussen twee boornitridelagen. Met behulp van grafeenelektroden kan een elektrische lading op dit ultradunne laagsysteem worden aangebracht.

"De excitonen hebben een veel hogere bindingsenergie in tweedimensionale gelaagde systemen dan in conventionele vaste stoffen en zijn daarom aanzienlijk stabieler. Eenvoudige bindingstoestanden bestaande uit elektronen en gaten kunnen zelfs bij kamertemperatuur worden aangetoond. Grote, excitoncomplexen kunnen worden gedetecteerd bij lage temperaturen, " meldt Thomas Mueller. Verschillende excitonencomplexen kunnen worden geproduceerd, afhankelijk van hoe het systeem wordt voorzien van elektrische energie met behulp van korte spanningspulsen. Wanneer deze complexen vervallen, ze geven energie af in de vorm van licht en zo werkt het nieuw ontwikkelde lagensysteem als een lichtgevende diode.

"Ons lichtgevende lagensysteem biedt niet alleen een geweldige kans om excitonen te bestuderen, maar is ook een innovatieve lichtbron, " zegt Matthias Paur, hoofdauteur van de studie. "Daarom hebben we nu een light-emitting diode waarvan de golflengte specifiek kan worden beïnvloed – en heel gemakkelijk ook, gewoon door de vorm van de toegepaste elektrische puls te veranderen."