一、LED越亮，其发光效率越低?

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。