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Science:LED在“应变”下接近100%发光
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Science:LED在“应变”下接近100%发光

2021-10-25 09:29:57 来源:科技学术派

【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) 已经多次彻底改变了世界。智能手机、笔记本电脑和照明应用都依靠LED来发光。但是,这些 LED发出的光越亮,其发光效率就越低,能量以热量而不是光的形式而浪费掉。

一、LED越亮,其发光效率越低?

LED

从智能手机屏幕到低能耗照明,发光二极管 (LED) 已经多次彻底改变了世界。智能手机、笔记本电脑和照明应用都依靠LED来发光。但是,这些 LED发出的光越亮,其发光效率就越低,能量以热量而不是光的形式而浪费掉。

这一问题对于一系列新型二维半导体材料,即过渡金属二硫化物(TMD)来说,尤为困扰。这种材料在高亮度下,效率显著下降,极大地限制了它们的实际应用。

针对这个问题,美国伯克利实验室Ali Javey等人以“Inhibited nonradiative decay at all exciton densities in monolayer semiconductors”为题在Science上刊登一篇文章。研究人员找到了一种非常简单的方法来解决LED发光效率降低问题。

团队已经证明,对 TMD 施加小于 1% 的机械应变(名词解释>)就足以改变材料的电子结构,以实现接近 100% 的发光效率(即光致发光量子产率),即使在高亮度水平下也是如此(图2)。该结果可能实现新一代高性能LED设备,以避免随着亮度增加而发光效率降低的问题。

二、激子-激子湮灭

在所有有机和一些无机LED中,高亮度下的效率下降源于一种称为“激子-激子湮灭 (EEA)”的现象。当诸如电流或激光束之类的能源激发半导体时,它会将带负电的电子从半导体的价带踢入其导带,留下带正电的电子空穴。在半导体中,被束缚在一起的中性电子-空穴对准粒子被称作激子(名词解释>)。

当激子能量低时,几乎所有的激子有足够的空间复合发光,进而 TMDLED的发光效率可达几乎100%。但随着LED越来越亮,材料中激子密度也随之增加,激子间开始相互碰撞和挤压,能量以非辐射的热能的形式被消耗掉,即EEA现象。

研究人员发现,半导体的电子结构会影响材料内高能粒子之间的相互作用。因此,改变材料的电子结构就能降低湮灭的可能性。特别地是,该伯克利团队研究人员发现TMD半导体中的EEA在范霍夫奇点(名词解释>)。

三、拉伸以提高效率

为了解决高激子密度下的EEA问题,伯克利的研究人员致力于研究调整 TMD 材料能带结构的方法。他们发现施加单轴应变(稍微拉伸材料)可以很好地解决问题。

在他们的实验中,该团队将许多不同的 TMD,包括单层 WS₂、WSe₂和 MoS₂,安装到柔性塑料基板上,添加六方氮化硼层(作为栅极绝缘体)和石墨烯(作为栅极电极)。然后,研究人员对设备施加偏压,用激光束激发材料以产生激子,并随着激光强度(激子密度)的增加测量材料的光致发光量子产率。

研究人员发现,对于无应变的 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,稍微弯曲柔性基板以在 TMD 中施加仅 0.2% 的拉伸应变,EEA现象就明显减弱了。在拉伸应变为 0.4% 的情况下,在高亮度下,实际效率没有下降,无论激子密度如何,该材料都保持近 100% 的光致发光量子产率。

四、鞍点

为了进一步了解材料在应变下的行为,该团队进行了分析建模,结果表明:应变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,能量表面以类似于两个峰之间的山口的形式弯曲,EEA现象因鞍点的存在而增强,鞍点在单层半导体的能带结构中自然存在。

未受应变的材料,在范霍夫奇点区域的鞍点能量,发生激子-激子湮灭,产生EEA现象,使材料的发光效率降低;

相应的,轻微地弯曲材料时,其能带结构会重塑,并且施加机械应变导致该过程的能量发生轻微变化,将激子从鞍点拉开。结果,粒子碰撞的倾向降低了,鞍点移动进而使范霍夫奇点不利于产生EEA现象。进而,允许更多激子以辐射发光形式复合,并最终提高了发光效率。

单层半导体材料 TMD 对光电应用很有吸引力,因为它们即使在高亮度水平下也能提供高效率,尽管它们的晶体中存在大量缺陷,亮度越高,效率越低的问题也极大限制了其应用发展。本研究提供的应变刺激策略,使这类材料即使在高亮度下也能保证几乎100%发光效率,提供了一种全新的思路。

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