Um grupo de cientistas americanos descobriu que semicondutores de LED que são ligeiramente dobrados a uma espessura atômica podem emitir luz com uma eficiência perto de 100% e evitar uma queda na eficiência à medida que o brilho aumenta - o que geralmente assola esses LEDs.
De telas de telefone inteligentes a iluminação de baixa energia, os diodos emissores de luz (LEDs) mudaram o mundo muitas vezes. Mas a eficiência dos LEDs tende a diminuir à medida que o brilho aumenta - um problema que é particularmente problemático para um novo e interessante material semicondutor bidimensional, os chamados dihalides metálicos de transição (TMDs). A queda significativa de eficiência desses materiais atomicamente finos com alto brilho dificulta sua aplicação em aplicações práticas.
Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory podem ter encontrado uma maneira muito simples de contornar as barreiras de eficiência que esses LEDs são propensos a encontrar.
A equipe provou que a aplicação de uma cepa mecânica inferior a 1% no TMD pode alterar a estrutura eletrônica do material, e mesmo em altos níveis de brilho, é suficiente para alcançar quase 100% de eficiência de emissão de luz (ou seja, rendimento quântico de fotoluminescência) . A equipe de pesquisa acredita que esse resultado pode permitir uma nova geração de equipamentos LED para evitar a erosão de eficiência causada pelo aumento do brilho.
Em todos os LEDs orgânicos e inorgânicos, a queda da eficiência no alto brilho está enraizada em um fenômeno chamado aniquilação exciton-exciton (EEE).
Quando uma fonte de energia como uma corrente elétrica ou um raio laser excita um semicondutor, ele chuta elétrons carregados negativamente da faixa de valência do semicondutor para a faixa de condução, deixando buracos de elétrons carregados positivamente.
Em semicondutores com as propriedades corretas, pares de buracos de elétrons ainda existem na forma de quase-partículas neutras chamadas excitons. A subsequente recombinação de radiação de elétrons e buracos nos excitons resulta na emissão de fótons, produzindo assim emissão de luz visível do LED.
Com baixa densidade de exciton, quase todos os excitons têm espaço suficiente para recombinação de radiação, e o rendimento quântico do LED TMD é próximo de 100%. No entanto, à medida que o brilho do LED aumenta e a densidade de excitons aumenta, os excitons começam a colidir e apagar uns aos outros, resultando em atenuação não radiativa, ou EEE, dissipado na forma de calor. Resultado: A eficiência da fotoluminescência deste material ultrafino diminui à medida que o brilho aumenta.
O número de EEAs não radiativas depende em grande parte dos detalhes da estrutura da banda de energia semicondutor. A equipe de pesquisa de Berkeley descobriu que, especialmente para semicondutores TMD, o número de EEAs é aumentado pela singularidade van Hove.
A singularidade van Hove é uma ligeira distorção na estrutura energética de um semicondutor, o que aumenta a densidade dos estados (o número de possíveis estados energéticos que podem ser ocupados) nesse ponto.
A fim de resolver o problema do EEE sob alta densidade de exciton, os pesquisadores de Berkeley estudaram métodos para ajustar a estrutura da banda de energia dos materiais TMD. Eles descobriram que aplicar a tensão uniaxial literalmente esticando o material funciona ligeiramente bem.
Em seus experimentos, a equipe instalou muitos TMDs diferentes, incluindo WS2, WSe2 e MoS2 de camada única. Em um substrato de plástico flexível, foram adicionadas uma camada de nitreto de boro hexagonal (como isolador de portão) e uma camada de grafeno (como um portão). eletrodo). Em seguida, os pesquisadores aplicaram um viés de tensão no dispositivo, excitaram o material com um raio laser para gerar excitons, e mediram o rendimento quântico da fotoluminescência do material à medida que a intensidade do laser (e a densidade de excitons) aumentavam.
A equipe descobriu que para TMD não treinado, como esperado, o rendimento quântico decai à medida que a densidade exciton aumenta. No entanto, dobrar ligeiramente o substrato flexível e aplicar uma tensão de tração de 0,2% ao TMD resultará em uma redução significativa na quantidade de roll-off. Quando a tensão da tração é de 0,4%, não há queda de eficiência efetiva sob alto brilho, e o material pode manter quase 100% de rendimento quântico fotoluminescência, independentemente da densidade exciton.
A análise da equipe mostra que o efeito da tensão sobre o rendimento quântico está relacionado com a existência de "pontos de sela" na estrutura da banda de energia semicondutor- semelhante ao canal da montanha em sua paisagem energética. Em materiais não treinados, o ponto de sela, ou seja, a região da singularidade Van Hove, está localizado perto da energia favorável da aniquilação exciton-produtora, aumentando assim o nível de aniquilação exciton. Dobrar ligeiramente o material pode remodelar a estrutura da banda e mover totalmente o ponto de sela para que a singularidade van Hove não seja propícia à aniquilação de exciton. Isso, por sua vez, permite mais recombinação de radiação exciton e aumenta o rendimento quântico da fotoluminescência.
Embora a maioria dos experimentos da equipe envolva peeling mecânico de várias folhas de materiais bidimensionais, os pesquisadores também podem provar o efeito benéfico da tensão sobre o rendimento quântico de folhas WS2 de grande área (nível de centímetro). Cultivado por um processo de deposição de vapor químico estendido. Os pesquisadores acreditam que essa descoberta adicional aponta para a perspectiva de uma nova geração de LEDs que não são afetados pela atenuação da perda de eficiência com alto brilho.
