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美國科學家開發出可彎曲的薄型LED半導體

2021-09-15 09:22 來源:高工LED網

一組美國科學家發現,稍微彎曲成原子薄的LED半導體,可以以接近100%的效率發出光,并避免效率隨著亮度的增加而下降——這通常會困擾這些LED。

從智能手機屏幕到低能耗照明,發光二極管(LED)多次改變了世界。但LED的效率往往會隨著亮度的增加而降低——這個問題對于一種新型的、有趣的二維半導體材料,即所謂的過渡金屬二鹵族(TMDs)來說,尤其令人煩惱。這些原子薄材料在高亮度下的顯著效率下降,阻礙了它們在實際應用中的應用。

現在,加州大學伯克利分校和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員可能已經找到了一種非常簡單的方法來繞過這些LED容易遭遇的效率障礙。

該團隊已經證明,在TMD上施加小于1%的機械應變,就可以改變材料的電子結構,即使在高亮度水平下,也足以實現近100%的光發射效率(即光致發光量子產率)。研究小組認為,這一結果,可以使新一代LED設備避免由于亮度增加而造成的效率侵蝕。

在所有有機和一些無機LED中,高亮度下的效率下降根源于一種被稱為激子-激子湮滅(EEA)的現象。

當電流或激光束等能量源激發半導體時,它將帶負電荷的電子從半導體的價帶踢入導帶,留下帶正電荷的電子空穴。

在具有正確性質的半導體中,電子-空穴對仍以一種稱為激子的中性準粒子的形式存在。隨后激子中的電子和空穴的輻射重組導致光子的發射,從而產生LED的可見光發射。

在低激子密度下,幾乎所有激子都有足夠的空間進行輻射重組,TMD LED的量子產率接近100%。但隨著LED亮度的增加,激子密度的增加,激子開始碰撞并相互擦除,導致非輻射衰減,或EEA,以熱量的形式消散。結果:這種超薄材料的光致發光效率隨著亮度的增加而下降。

非輻射EEA的數量在很大程度上取決于半導體能帶結構的細節。伯克利的研究小組發現,特別是對于TMD半導體,EEA的數量通過van Hove奇點得到了增強。

van Hove奇點是半導體能量結構中微小的扭曲,它在那一點上增強了態密度(可占據的可能能態的數量)。

為了解決高激子密度下的EEA問題,伯克利的研究人員研究了調整TMD材料能帶結構的方法。他們發現施加單軸應變——字面意思是稍微拉伸材料——效果很好。

在他們的實驗中,該團隊安裝了許多不同的TMD,包括單層WS2、WSe2和MoS2,在柔性塑料基板上,添加六方氮化硼層(作為柵極絕緣體)和石墨烯層(作為柵極電極)。然后,研究人員在該設備上施加電壓偏置,用激光束激發材料以產生激子,并隨著激光強度(以及激子密度)的增加,測量材料的光致發光量子產額。

該團隊發現,對于非應變TMD,正如預期的那樣,量子產率隨著激子密度的增加而衰減。然而,輕微彎曲柔性襯底,施加0.2%的拉伸應變在TMD,會導致滾脫量顯著減少。當拉伸應變為0.4%時,在高亮度下沒有有效的效率下降,材料無論激子密度如何都能保持近100%的光致發光量子產率。

該團隊的分析表明,張力對量子產率的影響與半導體能帶結構中“鞍點”(saddle points)的存在有關——類似于其能量景觀中的山脈通道。在非應變材料中,鞍點,即范霍夫奇點的區域,位于激子的有利能量附近——產生了激子湮滅,從而加強了激子湮滅的水平。輕微彎曲材料可以重塑能帶結構,充分移動鞍點,使van Hove奇點不有利于激子湮滅。這反過來又允許更多的激子輻射重組,并提高光致發光的量子產率。

雖然該團隊的大多數實驗,都涉及到機械剝離各種二維材料薄片,但研究人員也能夠證明應變對大面積(厘米級)WS2薄片的量子產率的有益影響,該薄片是通過更可擴展的化學氣相沉積過程生長的。研究人員認為,這一額外的發現,指出了新一代LED在高亮度下不受效率損耗衰減影響的前景。

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