Một nhóm các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra rằng chất bán dẫn LED được uốn cong một chút đến độ dày nguyên tử có thể phát ra ánh sáng với hiệu suất gần 100% và tránh giảm hiệu suất khi độ sáng tăng lên - điều thường gây ảnh hưởng đến các đèn LED này.
Từ màn hình điện thoại thông minh đến ánh sáng năng lượng thấp, điốt phát quang (đèn LED) đã thay đổi thế giới nhiều lần. Nhưng hiệu suất của đèn LED có xu hướng giảm khi độ sáng tăng lên - một vấn đề đặc biệt rắc rối đối với vật liệu bán dẫn hai chiều mới và thú vị, cái gọi là dihalua kim loại chuyển tiếp (TMDs). Sự sụt giảm hiệu suất đáng kể của những vật liệu mỏng nguyên tử này ở độ sáng cao cản trở ứng dụng của chúng trong các ứng dụng thực tế.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley có thể đã tìm ra một cách rất đơn giản để vượt qua các rào cản về hiệu quả mà các đèn LED này dễ gặp phải.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng áp dụng biến dạng cơ học dưới 1% lên TMD có thể thay đổi cấu trúc điện tử của vật liệu và ngay cả ở mức độ sáng cao, nó cũng đủ để đạt được hiệu suất phát xạ ánh sáng gần 100% (tức là hiệu suất lượng tử phát quang) . Nhóm nghiên cứu tin rằng kết quả này có thể tạo ra thế hệ thiết bị LED mới để tránh xói mòn hiệu quả do tăng độ sáng.
Trong tất cả các đèn LED hữu cơ và một số đèn LED vô cơ, việc giảm hiệu suất ở độ sáng cao bắt nguồn từ một hiện tượng gọi là sự tiêu diệt exciton-exciton (EEA).
Khi một nguồn năng lượng như dòng điện hoặc chùm tia laze kích thích chất bán dẫn, nó sẽ đá các electron mang điện tích âm từ vùng hóa trị của chất bán dẫn vào vùng dẫn, để lại các lỗ trống electron mang điện tích dương.
Trong chất bán dẫn có các đặc tính chính xác, các cặp electron - lỗ trống vẫn tồn tại ở dạng các hạt bán dẫn trung hòa gọi là exciton. Sự tái kết hợp bức xạ sau đó của các điện tử và lỗ trống trong exciton dẫn đến sự phát xạ của các photon, do đó tạo ra sự phát xạ ánh sáng nhìn thấy được từ đèn LED.
Ở mật độ exciton thấp, hầu như tất cả các exciton đều có đủ không gian để tái kết hợp bức xạ và hiệu suất lượng tử của LED TMD là gần 100%. Tuy nhiên, khi độ sáng của đèn LED tăng lên và mật độ của các exciton tăng lên, các exciton bắt đầu va chạm và xóa lẫn nhau, dẫn đến sự suy giảm không bức xạ, hay còn gọi là EEA, bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Kết quả: Hiệu suất phát quang của vật liệu siêu mỏng này giảm khi độ sáng tăng lên.
Số lượng EEA không bức xạ phần lớn phụ thuộc vào các chi tiết của cấu trúc dải năng lượng bán dẫn. Nhóm nghiên cứu Berkeley phát hiện ra rằng, đặc biệt đối với chất bán dẫn TMD, số lượng EEA được tăng cường bởi điểm kỳ dị van Hove.
Điểm kỳ dị van Hove là một sự biến dạng nhỏ trong cấu trúc năng lượng của chất bán dẫn, làm tăng mật độ trạng thái (số trạng thái năng lượng có thể có) tại điểm đó.
Để giải quyết vấn đề EEA dưới mật độ exciton cao, các nhà nghiên cứu của Berkeley đã nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh cấu trúc dải năng lượng của vật liệu TMD. Họ phát hiện ra rằng việc áp dụng biến dạng đơn trục - theo nghĩa đen là kéo căng vật liệu một chút, hoạt động tốt.
Trong các thí nghiệm của mình, nhóm đã cài đặt nhiều TMD khác nhau, bao gồm WS2, WSe2 và MoS2 một lớp. Trên nền nhựa dẻo, một lớp boron nitride lục giác (làm chất cách điện cổng) và một lớp graphene (làm cổng) đã được thêm vào. điện cực). Sau đó, các nhà nghiên cứu áp dụng phân cực điện áp trên thiết bị, kích thích vật liệu bằng chùm tia laze để tạo ra exciton, và đo năng suất lượng tử phát quang của vật liệu khi cường độ laze (và mật độ exciton) tăng lên.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng đối với TMD không được đào tạo, như mong đợi, năng suất lượng tử giảm khi mật độ exciton tăng lên. Tuy nhiên, uốn cong nhẹ chất nền dẻo và áp dụng lực kéo 0,2% lên TMD sẽ làm giảm đáng kể lượng cuộn ra. Khi biến dạng kéo là 0,4%, không có sự sụt giảm hiệu quả dưới độ sáng cao và vật liệu có thể duy trì gần 100% năng suất lượng tử phát quang bất kể mật độ exciton.
Phân tích của nhóm cho thấy ảnh hưởng của lực căng lên năng suất lượng tử có liên quan đến sự tồn tại của" điểm yên ngựa" trong cấu trúc dải năng lượng bán dẫn - tương tự như kênh núi trong cảnh quan năng lượng của nó. Trong các vật liệu không được gia cố, điểm yên ngựa, tức là vùng của điểm kỳ dị Van Hove, nằm gần năng lượng thuận lợi của quá trình tiêu diệt exciton sản sinh ra exciton, do đó nâng cao mức độ tiêu diệt exciton. Hơi uốn cong vật liệu có thể định hình lại cấu trúc dải và di chuyển hoàn toàn điểm yên ngựa để điểm kỳ dị van Hove không có lợi cho quá trình tiêu diệt exciton. Điều này cho phép tái tổ hợp bức xạ exciton nhiều hơn và làm tăng năng suất lượng tử của quá trình phát quang.
Mặc dù hầu hết các thí nghiệm của nhóm liên quan đến việc bóc tách cơ học các tấm vật liệu hai chiều khác nhau, các nhà nghiên cứu cũng có thể chứng minh tác dụng có lợi của biến dạng đối với năng suất lượng tử của các tấm WS2 diện tích lớn (cấp độ cm). Phát triển bởi một quá trình lắng đọng hơi hóa học kéo dài. Các nhà nghiên cứu tin rằng khám phá bổ sung này chỉ ra triển vọng về một thế hệ đèn LED mới không bị ảnh hưởng bởi sự suy giảm hiệu suất ở độ sáng cao.
