Wanneer atomair dunne halfgeleiders worden gecombineerd in een Lego-stijl, ze zenden licht uit met een lagere spanning, wat mogelijk kan leiden tot apparaten met een laag energieverbruik.

Hoewel dit onderzoek zich in zijn fundamentele staat bevindt, is dit veelbelovend voor praktische toepassingen in opto-elektronica en telecommunicatie.

De spanning van een LED is meestal gelijk aan of groter dan de bandgap-energie per elektronlading. Een team van onderzoekers gevestigd aan de Universiteit van Manchester, Universiteit van Warschau, het High Magnetic Field Laboratory in Grenoble en het National Institute for Materials Science in Japan hebben LED's kunnen demonstreren die bij veel lagere spanningen aangaan.

Het idee om lagen van verschillende materialen op elkaar te stapelen om zogenaamde heterostructuren te maken gaat terug tot de jaren 60, toen halfgeleider galliumarsenide werd onderzocht voor het maken van miniatuurlasers - die nu veel worden gebruikt.

Vandaag, heterostructuren komen veel voor en worden zeer breed gebruikt in de halfgeleiderindustrie als hulpmiddel voor het ontwerpen en regelen van elektronische en optische eigenschappen in apparaten.

Meer recentelijk in het tijdperk van atomair dunne tweedimensionale (2-D) kristallen, zoals grafeen, nieuwe soorten heterostructuren zijn ontstaan, waar atomair dunne lagen bij elkaar worden gehouden door relatief zwakke van der Waals-krachten.

De nieuwe structuren met de bijnaam 'van der Waals heterostructuren' openen een enorm potentieel om tal van designermaterialen en nieuwe apparaten te creëren door een willekeurig aantal atomair dunne lagen op elkaar te stapelen. Honderden combinaties worden mogelijk die anders ontoegankelijk zijn in traditionele driedimensionale materialen, mogelijk toegang geven tot nieuwe onontgonnen opto-elektronische apparaatfunctionaliteit of ongebruikelijke materiaaleigenschappen.

Er zijn veel experimenten gedaan door verschillende onderzoeksgroepen in de wereld, die zich richten op lichtemitterende eigenschappen van overgangsmetaaldichalcogeniden. Echter, vaak worden deze onderzoeken puur optisch gedaan. Voor praktische toepassingen, elektrisch getriggerde lichtemissie is wenselijker.

"Het is fascinerend hoe het toevoegen van slechts één atomair dun materiaal de eigenschappen van een apparaat zo dramatisch kan veranderen. Dit is de kracht van van der Waals heterostructuren in actie, " zegt Dr. Aleksey Kozikov, Nationaal grafeeninstituut.

Zoals gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team onder leiding van Dr. Aleksey Kozikov, Professor Kostya Novoselov en prof. Marek Potemski konden dit doen met behulp van elektriciteit. Ze bonden elektronen en gaten in verschillende overgangsmetaaldichalcogeniden, zogenaamde interlayer-excitonen. De onderzoekers creëerden experimentele omstandigheden toen deze excitonen niet-radiatief recombineren, Auger-effect. De vrijgekomen energie wordt overgebracht naar andere dragers die vervolgens naar hogere energietoestanden kunnen gaan. Als resultaat, ladingsdragers waarvan de energie oorspronkelijk te laag was om de bandgap van het materiaal te overbruggen, kunnen nu gemakkelijk deze potentiële barrière passeren, recombineren en licht uitstralen. Dit effect wordt opconversie genoemd.

Grafeenelektroden worden gebruikt om ladingsdragers elektrisch te injecteren door hexagonaal boornitride gestapeld in een heterostructuur in Molybdeendisulfide (MoS ₂ ) en wolfraamdiselenide (WSe ₂ ). Door de afstand tussen deze overgangsmetaal-dichalcogeniden te wijzigen door ertussen boornitride toe te voegen, kunnen de LED's worden afgesteld van een normale werking naar een laagspanningswerking en wordt het effect van opconversie waargenomen.

Vanuit fundamenteel oogpunt markeren de waargenomen effecten een belangrijke stap in de richting van de realisatie van excitoncondensatie en superfluïditeit van van der Waals heterostructuren.

Dr. Johannes Binder, de eerste auteur van het artikel, van de Universiteit van Warschau zei:"Toen we begonnen met het meten van de eerste MoS ₂ /WSe ₂ apparaten waren we echt verrast om emissie waar te nemen bij zulke lage aangelegde spanningen. Deze naar boven geconverteerde emissie toont op indrukwekkende wijze het belang aan van Auger-processen voor tussenlaagse excitonen in van der Waals-heterostructuren. Onze bevindingen werpen meer licht op de fysica in het grotendeels onontgonnen regime met hoge dragerdichtheid, wat cruciaal is voor opto-elektronische toepassingen en voor fundamentele fenomenen zoals excitoncondensatie tussen de lagen."

Dr. Aleksey Kozikov voegde toe:"Het is fascinerend hoe het toevoegen van slechts één atomair dun materiaal de eigenschappen van een apparaat zo dramatisch kan veranderen. Dit is de kracht van van der Waals heterostructuren in actie."