Разработан светодиодный материал, который светится под нагрузкой

Прочитано: 897 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Смартфоны, ноутбуки и осветительные приложения полагаются на светодиоды, чтобы светить ярко. Но чем ярче светятся эти светодиодные технологии, тем они становятся менее эффективными, выделяя больше энергии в виде тепла, а не света.

Теперь, как сообщается в журнале Science , группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировала подход к достижению почти 100% эффективности излучения света на всех уровнях яркости.

Их подход фокусируется на растяжении или сжатии тонкой полупроводниковой пленки таким образом, чтобы благоприятно изменить ее электронную структуру .

Команда определила, как электронная структура полупроводника определяет взаимодействие между энергичными частицами в материале. Эти частицы иногда сталкиваются и аннигилируют друг с другом, теряя энергию в виде тепла вместо того, чтобы при этом излучать свет. Изменение электронной структуры материала уменьшило вероятность аннигиляции и привело к почти идеальному преобразованию энергии в свет даже при высокой яркости.

«Всегда легче излучать тепло, чем излучать свет, особенно при высоких уровнях яркости. В нашей работе мы смогли сократить потери в стократном размере», — сказал Али Джави, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор электротехники. и компьютерные науки в Калифорнийском университете в Беркли.

Характеристики светодиода зависят от экситонов


Открытие группы Беркли было сделано с использованием одного слоя полупроводникового материала толщиной 3 атома, называемого дихалькогенидом переходного металла, который подвергался механической нагрузке. Эти тонкие материалы имеют уникальную кристаллическую структуру, которая обеспечивает уникальные электронные и оптические свойства : когда их атомы возбуждаются либо пропусканием электрического тока, либо сияющим светом, создаются энергичные частицы, называемые экситонами.

Экситоны могут высвобождать свою энергию, испуская свет или тепло. Эффективность, с которой экситоны излучают свет, а не тепло, является важным показателем, определяющим конечные характеристики светодиодов. Но для достижения высокой производительности требуются именно подходящие условия.

«Когда концентрация экситонов низкая, мы ранее нашли, как достичь идеальной эффективности излучения света», — сказал Шиех Зия Уддин, аспирант Калифорнийского университета в Беркли и соавтор статьи. Он и его коллеги показали, что химическая или электростатическая зарядка однослойных материалов может привести к высокоэффективному преобразованию, но только для низкой концентрации экситонов.

Однако при высокой концентрации экситонов, при которой обычно работают оптические и электронные устройства, слишком много экситонов аннигилируют друг с другом. Новая работа команды Беркли предполагает, что трюк для достижения высоких характеристик при высоких концентрациях заключается в настройке зонной структуры материала, электронного свойства, которое контролирует взаимодействие экситонов друг с другом и может снизить вероятность аннигиляции экситонов .

«Когда создается больше возбужденных частиц, баланс смещается в сторону создания большего количества тепла, а не света. В нашей работе мы сначала поняли, как этот баланс контролируется структурой полос», — сказал Хёнджин Ким, научный сотрудник и соавтор книги. работа. Это понимание привело к тому, что они предложили модифицировать структуру ленты контролируемым образом, используя физическое напряжение.

Высокая производительность при нагрузке

Исследователи начали с того, что аккуратно поместили тонкую полупроводниковую пленку (дисульфид вольфрама или WS2) на гибкую пластиковую подложку. Изгибая пластиковую подложку, они прикладывали к пленке небольшое напряжение. В то же время исследователи сфокусировали лазерный луч с разной интенсивностью на пленку, причем более интенсивный луч привел к более высокой концентрации экситонов — настройке высокой «яркости» в электронном устройстве.

Подробные измерения с помощью оптического микроскопа позволили исследователям наблюдать количество фотонов, испускаемых материалом, как долю фотонов, поглощенных им от лазера. Они обнаружили, что материал излучает свет с почти идеальной эффективностью на всех уровнях яркости за счет соответствующей деформации.

Чтобы лучше понять поведение материала при деформации, команда провела аналитическое моделирование.

Они обнаружили, что теряющие тепло столкновения между экситонами усиливаются из-за «седловых точек» — областей, где энергетическая поверхность изгибается таким образом, что напоминает горный перевал между двумя пиками — естественным образом обнаруживаемых в зонной структуре однослойного полупроводника.

Приложение механической деформации привело к небольшому изменению энергии этого процесса, оттягивая экситоны от седловых точек. В результате тенденция частиц к столкновению уменьшилась, и снижение эффективности при высоких концентрациях заряженных частиц перестало быть проблемой.

«Эти однослойные полупроводниковые материалы интересны для оптоэлектронных приложений, поскольку они уникально обеспечивают высокую эффективность даже при высоких уровнях яркости и несмотря на наличие большого количества дефектов в их кристаллах», — сказал Джави.

Дальнейшая работа команды Berkeley Lab будет сосредоточена на использовании материала для изготовления реальных светодиодных устройств для дальнейшего тестирования высокой эффективности технологии при увеличении яркости.

Разработан светодиодный материал, который светится под нагрузкой



Новости партнеров

Загрузка...