กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่าเซมิคอนดักเตอร์ LED ที่โค้งงอเล็กน้อยถึงความหนาของอะตอมสามารถเปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพเกือบ 100% และหลีกเลี่ยงประสิทธิภาพที่ลดลงเมื่อความสว่างเพิ่มขึ้น ซึ่งมักจะทำให้เกิดภัยพิบัติกับ LED เหล่านี้
ตั้งแต่หน้าจอสมาร์ทโฟนไปจนถึงแสงไฟที่ใช้พลังงานต่ำ ไดโอดเปล่งแสง (LED) ได้เปลี่ยนแปลงโลกไปหลายครั้ง แต่ประสิทธิภาพของไฟ LED มีแนวโน้มลดลงเมื่อความสว่างเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นปัญหาที่ยุ่งยากมากสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติใหม่ที่น่าสนใจ ซึ่งเรียกว่าไดฮาไลด์โลหะทรานซิชัน (TMD) ประสิทธิภาพที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญของวัสดุบางอะตอมเหล่านี้ที่ความสว่างสูงเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานในการใช้งานจริง
ตอนนี้ นักวิจัยจาก University of California, Berkeley และ Lawrence Berkeley National Laboratory อาจพบวิธีง่ายๆ ในการหลีกเลี่ยงอุปสรรคด้านประสิทธิภาพที่ LED เหล่านี้มักพบเจอ
ทีมงานได้พิสูจน์แล้วว่าการใช้ความเครียดทางกลน้อยกว่า 1% บน TMD สามารถเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุได้ และแม้ในระดับความสว่างสูง ก็เพียงพอที่จะบรรลุประสิทธิภาพการปล่อยแสงได้เกือบ 100% (เช่น ผลผลิตควอนตัมเรืองแสง) . ทีมวิจัยเชื่อว่าผลลัพธ์นี้สามารถเปิดใช้งานอุปกรณ์ LED รุ่นใหม่เพื่อหลีกเลี่ยงการพังทลายของประสิทธิภาพที่เกิดจากความสว่างที่เพิ่มขึ้น
ใน LED แบบอินทรีย์และแบบอนินทรีย์ทั้งหมด ประสิทธิภาพที่ลดลงที่ความสว่างสูงมีรากฐานมาจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า exciton-exciton annihilation (EEA)
เมื่อแหล่งพลังงาน เช่น กระแสไฟฟ้าหรือลำแสงเลเซอร์กระตุ้นเซมิคอนดักเตอร์ มันจะเตะอิเล็กตรอนที่มีประจุลบจากแถบเวเลนซ์ของเซมิคอนดักเตอร์เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า ปล่อยให้รูอิเล็กตรอนที่มีประจุบวก
ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติถูกต้อง คู่อิเล็กตรอน-รูยังคงมีอยู่ในรูปของอนุภาคกึ่งกึ่งเป็นกลางที่เรียกว่า excitons การรวมตัวกันอีกครั้งของอิเล็กตรอนและรูใน excitons ส่งผลให้เกิดการปล่อยโฟตอน ดังนั้นจึงทำให้เกิดการเปล่งแสงที่มองเห็นได้จาก LED
ที่ความหนาแน่นของ exciton ต่ำ exciton เกือบทั้งหมดมีพื้นที่เพียงพอสำหรับการรวมตัวของรังสี และผลผลิตควอนตัมของ TMD LED นั้นใกล้เคียงกับ 100% อย่างไรก็ตาม เมื่อความสว่างของ LED เพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของ exciton เพิ่มขึ้น สาร exciton จะเริ่มชนกันและลบออกจากกัน ส่งผลให้ไม่มีการลดทอนการแผ่รังสีหรือ EEA กระจายไปในรูปของความร้อน ผลลัพธ์: ประสิทธิภาพการเรืองแสงของแสงของวัสดุที่บางเฉียบนี้ลดลงเมื่อความสว่างเพิ่มขึ้น
จำนวนของ EEA ที่ไม่แผ่รังสีส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับรายละเอียดของโครงสร้างแถบพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ ทีมวิจัยของ Berkeley พบว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ TMD จำนวน EEA นั้นได้รับการปรับปรุงโดย van Hove singularity
ภาวะเอกฐานของ Van Hove เป็นการบิดเบือนเล็กน้อยในโครงสร้างพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของรัฐ (จำนวนสถานะพลังงานที่เป็นไปได้ที่สามารถครอบครองได้) ณ จุดนั้น
เพื่อแก้ปัญหา EEA ภายใต้ความหนาแน่นของ exciton สูง นักวิจัยของ Berkeley ได้ศึกษาวิธีการปรับโครงสร้างแถบพลังงานของวัสดุ TMD พวกเขาพบว่าการใช้ความเครียดแกนเดียวในการยืดวัสดุนั้นได้ผลเล็กน้อย
ในการทดลอง ทีมได้ติดตั้ง TMD ต่างๆ มากมาย รวมถึง WS2, WSe2 และ MoS2 แบบเลเยอร์เดียว บนพื้นผิวพลาสติกที่ยืดหยุ่นได้ เพิ่มชั้นโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (เป็นฉนวนเกต) และชั้นกราฟีน (เป็นเกต) อิเล็กโทรด) จากนั้นนักวิจัยได้ใช้แรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์ กระตุ้นวัสดุด้วยลำแสงเลเซอร์เพื่อสร้าง excitons และวัดผลควอนตัม photoluminescence ของวัสดุเมื่อความเข้มของเลเซอร์ (และความหนาแน่นของ exciton) เพิ่มขึ้น
ทีมงานพบว่าสำหรับ TMD ที่ไม่มีความเครียด ตามที่คาดไว้ ผลผลิตควอนตัมจะลดลงเมื่อความหนาแน่นของ exciton เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม การดัดพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้เล็กน้อยและการใช้แรงดึง 0.2% กับ TMD จะส่งผลให้ปริมาณการม้วนกลับลดลงอย่างมาก เมื่อความเค้นแรงดึงเท่ากับ 0.4% จะไม่มีประสิทธิภาพลดลงภายใต้ความสว่างสูงและวัสดุสามารถรักษาผลผลิตควอนตัมโฟโตลูมิเนสเซนซ์ได้เกือบ 100% โดยไม่คำนึงถึงความหนาแน่นของ exciton
การวิเคราะห์ของทีมแสดงให้เห็นว่าผลกระทบของความตึงเครียดต่อผลผลิตควอนตัมเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของ"คะแนนอาน" ในโครงสร้างแถบพลังงานเซมิคอนดักเตอร์ - คล้ายกับช่องเขาในแนวพลังงาน ในวัสดุที่ไม่ผ่านการบีบรัด จุดอาน ซึ่งก็คือบริเวณของภาวะเอกฐานของ Van Hove ตั้งอยู่ใกล้กับพลังงานที่เอื้ออำนวยของการทำลายล้างของ exciton ที่ผลิต exciton ซึ่งจะเป็นการเพิ่มระดับของการทำลายล้างของ exciton การดัดวัสดุเล็กน้อยสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างของสายนาฬิกาและขยับจุดอานได้เต็มที่ เพื่อไม่ให้ภาวะเอกฐานของ Van Hove ไม่เอื้อต่อการทำลายล้างของ exciton ในทางกลับกัน ช่วยให้การรวมตัวกันของรังสี exciton มากขึ้น และเพิ่มผลผลิตควอนตัมของการเรืองแสงด้วยแสง
แม้ว่าการทดลองของทีมส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการลอกแบบกลไกของแผ่นวัสดุสองมิติต่างๆ แต่นักวิจัยยังสามารถพิสูจน์ผลที่เป็นประโยชน์ของความเครียดต่อผลผลิตควอนตัมของแผ่น WS2 ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ เติบโตโดยกระบวนการสะสมไอสารเคมีเป็นเวลานาน นักวิจัยเชื่อว่าการค้นพบเพิ่มเติมนี้ชี้ให้เห็นถึงโอกาสของ LED รุ่นใหม่ที่ไม่ได้รับผลกระทบจากการลดทอนการสูญเสียประสิทธิภาพที่ความสว่างสูง
