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美国科学家开发出可弯曲的薄型LED半导体
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美国科学家开发出可弯曲的薄型LED半导体

2021-09-16 09:35:09 来源:高工LED新闻

【哔哥哔特导读】从智能手机屏幕到低能耗照明,发光二极管(LED)多次改变了世界。但LED的效率往往会随着亮度的增加而降低——这个问题对于一种新型的、有趣的二维半导体材料。

一组美国科学家发现,稍微弯曲成原子薄的LED半导体,可以以接近100%的效率发出光,并避免效率随着亮度的增加而下降——这通常会困扰这些LED。

LED

从智能手机屏幕到低能耗照明,发光二极管(LED)多次改变了世界。但LED的效率往往会随着亮度的增加而降低——这个问题对于一种新型的、有趣的二维半导体材料,即所谓的过渡金属二卤族(TMDs)来说,尤其令人烦恼。这些原子薄材料在高亮度下的显著效率下降,阻碍了它们在实际应用中的应用。

现在,加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员可能已经找到了一种非常简单的方法来绕过这些LED容易遭遇的效率障碍。

该团队已经证明,在TMD上施加小于1%的机械应变,就可以改变材料的电子结构,即使在高亮度水平下,也足以实现近100%的光发射效率(即光致发光量子产率)。研究小组认为,这一结果,可以使新一代LED设备避免由于亮度增加而造成的效率侵蚀。

在所有有机和一些无机LED中,高亮度下的效率下降根源于一种被称为激子-激子湮灭(EEA)的现象。

当电流或激光束等能量源激发半导体时,它将带负电荷的电子从半导体的价带踢入导带,留下带正电荷的电子空穴。

在具有正确性质的半导体中,电子-空穴对仍以一种称为激子的中性准粒子的形式存在。随后激子中的电子和空穴的辐射重组导致光子的发射,从而产生LED的可见光发射。

在低激子密度下,几乎所有激子都有足够的空间进行辐射重组,TMD LED的量子产率接近100%。但随着LED亮度的增加,激子密度的增加,激子开始碰撞并相互擦除,导致非辐射衰减,或EEA,以热量的形式消散。结果:这种超薄材料的光致发光效率随着亮度的增加而下降。

非辐射EEA的数量在很大程度上取决于半导体能带结构的细节。伯克利的研究小组发现,特别是对于TMD半导体,EEA的数量通过van Hove奇点得到了增强。

van Hove奇点是半导体能量结构中微小的扭曲,它在那一点上增强了态密度(可占据的可能能态的数量)。

为了解决高激子密度下的EEA问题,伯克利的研究人员研究了调整TMD材料能带结构的方法。他们发现施加单轴应变——字面意思是稍微拉伸材料——效果很好。

在他们的实验中,该团队安装了许多不同的TMD,包括单层WS2、WSe2和MoS2,在柔性塑料基板上,添加六方氮化硼层(作为栅极绝缘体)和石墨烯层(作为栅极电极)。然后,研究人员在该设备上施加电压偏置,用激光束激发材料以产生激子,并随着激光强度(以及激子密度)的增加,测量材料的光致发光量子产额。

该团队发现,对于非应变TMD,正如预期的那样,量子产率随着激子密度的增加而衰减。然而,轻微弯曲柔性衬底,施加0.2%的拉伸应变在TMD,会导致滚脱量显著减少。当拉伸应变为0.4%时,在高亮度下没有有效的效率下降,材料无论激子密度如何都能保持近100%的光致发光量子产率。

该团队的分析表明,张力对量子产率的影响与半导体能带结构中“鞍点”(saddle points)的存在有关——类似于其能量景观中的山脉通道。在非应变材料中,鞍点,即范霍夫奇点的区域,位于激子的有利能量附近——产生了激子湮灭,从而加强了激子湮灭的水平。轻微弯曲材料可以重塑能带结构,充分移动鞍点,使van Hove奇点不有利于激子湮灭。这反过来又允许更多的激子辐射重组,并提高光致发光的量子产率。

虽然该团队的大多数实验,都涉及到机械剥离各种二维材料薄片,但研究人员也能够证明应变对大面积(厘米级)WS2薄片的量子产率的有益影响,该薄片是通过更可扩展的化学气相沉积过程生长的。研究人员认为,这一额外的发现,指出了新一代LED在高亮度下不受效率损耗衰减影响的前景。

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