Un groupe de scientifiques américains a découvert que les semi-conducteurs à LED légèrement courbés à une épaisseur atomique peuvent émettre de la lumière avec une efficacité proche de 100 % et éviter une baisse d'efficacité à mesure que la luminosité augmente, ce qui affecte généralement ces LED.
Des écrans de smartphones à l'éclairage basse consommation, les diodes électroluminescentes (DEL) ont changé le monde à plusieurs reprises. Mais l'efficacité des LED a tendance à diminuer à mesure que la luminosité augmente - un problème particulièrement gênant pour un nouveau matériau semi-conducteur bidimensionnel intéressant, les dihalogénures de métaux de transition (TMD). La chute d'efficacité significative de ces matériaux atomiquement minces à haute luminosité entrave leur application dans des applications pratiques.
Maintenant, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont peut-être trouvé un moyen très simple de contourner les barrières d'efficacité que ces LED sont susceptibles de rencontrer.
L'équipe a prouvé que l'application d'une contrainte mécanique inférieure à 1% sur le TMD peut modifier la structure électronique du matériau, et même à des niveaux de luminosité élevés, elle est suffisante pour atteindre près de 100% d'efficacité d'émission lumineuse (c'est-à-dire rendement quantique de photoluminescence) . L'équipe de recherche pense que ce résultat peut permettre à une nouvelle génération d'équipements LED d'éviter l'érosion de l'efficacité causée par une luminosité accrue.
Dans toutes les LED organiques et certaines LED inorganiques, la baisse d'efficacité à haute luminosité est enracinée dans un phénomène appelé annihilation exciton-exciton (EEA).
Lorsqu'une source d'énergie telle qu'un courant électrique ou un faisceau laser excite un semi-conducteur, il envoie des électrons chargés négativement de la bande de valence du semi-conducteur dans la bande de conduction, laissant des trous d'électrons chargés positivement.
Dans les semi-conducteurs dotés des propriétés correctes, les paires électron-trou existent toujours sous la forme de quasi-particules neutres appelées excitons. La recombinaison de rayonnement subséquente des électrons et des trous dans les excitons entraîne l'émission de photons, produisant ainsi une émission de lumière visible à partir de la LED.
À faible densité d'excitons, presque tous les excitons ont suffisamment d'espace pour la recombinaison du rayonnement, et le rendement quantique de la LED TMD est proche de 100 %. Cependant, à mesure que la luminosité de la LED augmente et que la densité des excitons augmente, les excitons commencent à entrer en collision et à s'effacer, ce qui entraîne une atténuation non radiative, ou EEA, dissipée sous forme de chaleur. Résultat : L'efficacité de photoluminescence de ce matériau ultra-mince diminue à mesure que la luminosité augmente.
Le nombre d'EEE non radiatifs dépend en grande partie des détails de la structure de la bande d'énergie des semi-conducteurs. L'équipe de recherche de Berkeley a découvert que, en particulier pour les semi-conducteurs TMD, le nombre d'EEA est augmenté par la singularité de van Hove.
La singularité de van Hove est une légère distorsion dans la structure énergétique d'un semi-conducteur, ce qui augmente la densité d'états (le nombre d'états énergétiques possibles pouvant être occupés) à ce stade.
Afin de résoudre le problème de l'AEE sous haute densité d'excitons, les chercheurs de Berkeley ont étudié des méthodes pour ajuster la structure de bande d'énergie des matériaux TMD. Ils ont découvert que l'application d'une contrainte uniaxiale - en étirant légèrement le matériau - fonctionnait bien.
Dans leurs expériences, l'équipe a installé de nombreux TMD différents, y compris WS2 monocouche, WSe2 et MoS2. Sur un substrat en plastique souple, une couche hexagonale de nitrure de bore (comme isolant de grille) et une couche de graphène (comme grille) ont été ajoutées. électrode). Ensuite, les chercheurs ont appliqué une tension de polarisation sur l'appareil, excité le matériau avec un faisceau laser pour générer des excitons et mesuré le rendement quantique de photoluminescence du matériau à mesure que l'intensité laser (et la densité d'excitons) augmentait.
L'équipe a découvert que pour le TMD non contraint, comme prévu, le rendement quantique diminue à mesure que la densité d'excitons augmente. Cependant, une légère flexion du substrat flexible et l'application d'une contrainte de traction de 0,2% au TMD entraîneront une réduction significative de la quantité de roll-off. Lorsque la contrainte de traction est de 0,4%, il n'y a pas de baisse d'efficacité effective sous une luminosité élevée, et le matériau peut maintenir un rendement quantique de photoluminescence de près de 100% quelle que soit la densité d'excitons.
L'analyse de l'équipe montre que l'effet de la tension sur le rendement quantique est lié à l'existence de"points de selle" dans la structure de la bande d'énergie des semi-conducteurs, similaire au canal de montagne dans son paysage énergétique. Dans les matériaux non contraints, le point de selle, c'est-à-dire la région de la singularité de Van Hove, est situé près de l'énergie favorable de l'annihilation des excitons produisant des excitons, augmentant ainsi le niveau d'annihilation des excitons. Une légère flexion du matériau peut remodeler la structure de la bande et déplacer complètement le point de selle de sorte que la singularité de van Hove ne favorise pas l'annihilation des excitons. Ceci, à son tour, permet une plus grande recombinaison du rayonnement d'excitons et augmente le rendement quantique de la photoluminescence.
Bien que la plupart des expériences de l'équipe impliquent le pelage mécanique de diverses feuilles de matériau bidimensionnel, les chercheurs peuvent également prouver l'effet bénéfique de la contrainte sur le rendement quantique des feuilles WS2 de grande surface (au niveau du centimètre). Cultivé par un processus prolongé de dépôt chimique en phase vapeur. Les chercheurs pensent que cette découverte supplémentaire laisse entrevoir la perspective d'une nouvelle génération de LED qui ne sont pas affectées par l'atténuation des pertes d'efficacité à haute luminosité.
