CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，
眾所周知，
從智能手機屏幕到
節(jié)能
照明，發(fā)光二極管
(LED)
從誕生以來
已經(jīng)
在很多領(lǐng)域極大改變了世界
。
雖然目前的
LED
行業(yè)在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但是一直以來都有一個很難解決的問題，那就是普通
LED
的發(fā)光
效率通常會隨著亮度的增加而降低
。
其中，最受影響的一類
2D
半導(dǎo)體材料
——
所謂的過渡金屬二硫?qū)倩?/span>
(TMD)
，對這一類器件
來說
，這個問題
尤其令人煩惱
。
實際上，
這些原子級
厚度的
TMD
材料
，
在高亮度
驅(qū)動
下
發(fā)光效率會顯著下降，這也直接阻礙
了它們在實際應(yīng)用中的使用。
圖1.美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，稍微彎曲的原子級厚度LED半導(dǎo)體可以獲得接近100%的發(fā)光效率，該成果可以很好的規(guī)避傳統(tǒng)困擾LED的發(fā)光效率問題——隨亮度增加而下降
根據(jù)外媒Osa-opn報道，最近，加州大學(xué)伯克利分校和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員似乎已經(jīng)找到了一種非常簡單的方法，這些方法可以輕松繞過這些LED的效率障礙（科學(xué)，doi：10.1126/science.abi9193）。該團隊已經(jīng)表明，對上述TMD型LED器件施加小于1%的機械應(yīng)變（拉伸）就可以通過對材料電子能級結(jié)構(gòu)的改變，實現(xiàn)接近100%的發(fā)光效率（即光致發(fā)光量子產(chǎn)率），即使在高亮度水平下也是如此。根據(jù)這一研究成果，該團隊認為它可以助力新一代超高光效LED器件的研發(fā)，它可以很好地規(guī)避傳統(tǒng)LED隨發(fā)光亮度提升而降低發(fā)光效率的問題。
激子-激子湮滅
在所有有機和一些無機LED器件中，高亮度下的效率下降問題源于一種稱為激子-激子湮滅 (EEA)的現(xiàn)象。據(jù)介紹，當(dāng)電流或激光束等能源激發(fā)半導(dǎo)體器件有源層時，它會將帶負電的電子從半導(dǎo)體的價帶激發(fā)到其導(dǎo)帶上，而激發(fā)后的位置會留下帶正電的空穴。在具有特定特性的半導(dǎo)體中，上述過程形成的電子-空穴對會進一步形成一個束縛對，這一束縛對實際上可以認為是一種準(zhǔn)粒子——激子(Exiton)。隨后，這些激子中的電子和空穴進一步復(fù)合并發(fā)生輻射——對外產(chǎn)生光子，這一過程就是LED發(fā)出可見光的過程。
在低電流驅(qū)動下，LED有源區(qū)的激子密度很低，這時幾乎所有產(chǎn)生的激子都有足夠的空間進行輻射復(fù)合，這種狀態(tài)下的TMD LED，其量子產(chǎn)率可以達到近100%。但隨著驅(qū)動電流的進一步提升——LED 亮度（以及激子密度）的增加，這種LED有源區(qū)的激子開始出現(xiàn)無規(guī)律碰撞——這一過程并不會有光子產(chǎn)生，激子之間相互抵消會導(dǎo)致一些非輻射型的衰變或EEA，最終激子能量以熱量的形式消散。這些過程的結(jié)果是：光致發(fā)光效率隨著亮度的增加而下降，這一現(xiàn)象尤其對一些超薄材料型LED有著至關(guān)重要的影響。
這種非輻射型EEA發(fā)生的概率，很大程度上取決于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的細節(jié)。根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校這個團隊的發(fā)現(xiàn)，特別是對于TMD型半導(dǎo)體，EEA的數(shù)量會因范霍夫奇點（Hove Singularities）而增強——半導(dǎo)體能量結(jié)構(gòu)中的一些微小扭結(jié)可以提高此時的狀態(tài)密度（可用于占據(jù)的潛在能量狀態(tài)的數(shù)量）。
為了解決高激子密度下的EEA問題，順著上述思路，伯克利的這些研究人員一直致力于通過調(diào)整TMD材料的能帶結(jié)構(gòu)來改善效率的降低。據(jù)介紹，他們發(fā)現(xiàn)對這些材料施加一定程度單軸應(yīng)變（字面意思是稍微拉伸材料）可以很好地解決問題。
在他們的實驗中，該團隊在一塊柔性塑料基板上制作了許多不同材料類型的TMD半導(dǎo)體器件，具體包括單層WS2、WSe2 和 MoS2，另外還分別添加了六方氮化硼層（作為柵極絕緣體）和石墨烯（作為柵極）層。在此基礎(chǔ)上，研究人員進一步對這些半導(dǎo)體器件施加偏壓，并用激光束激發(fā)材料以產(chǎn)生激子。隨著激光強度（以及激子密度）的增加，研究人員開始測量材料的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。
據(jù)試驗結(jié)果，研究小組發(fā)現(xiàn)，作為參考，沒有拉伸——無應(yīng)變的TMD，正如預(yù)期的那樣，其量子產(chǎn)率會隨著激子密度的增加而大幅度衰減。然而，稍微拉伸——施加僅0.2%的拉伸應(yīng)變，原來光效降低的現(xiàn)象就可以得到明顯改善。在另一組樣品中，拉伸應(yīng)變達到0.4%時，即使高亮度驅(qū)動也沒有看到光效的明顯下降。此時，無論激子密度如何（非常擁擠），該材料都保持近100%的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。
該團隊的分析表明，拉伸等過程造成的應(yīng)變對這種原子級半導(dǎo)體器件的量子產(chǎn)率有著深遠的的影響，而這一點和半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中“鞍點”的存在有關(guān)——這一點類似于其能量“景觀”中的山口。在未施加拉伸應(yīng)變的材料中，作為范霍夫奇點區(qū)域的鞍點剛好位于激子-激子湮滅的有利能量附近，因此會有大量的電子因為處于該狀態(tài)而大概率發(fā)生EEA現(xiàn)象，顯然它有助于加強EEA現(xiàn)象發(fā)生的概率。作為對比，施加一定的拉伸應(yīng)變（稍微彎曲）會重塑材料的能帶結(jié)構(gòu)，它可以充分移動這一鞍點的能量位置，讓范霍夫奇點不利于EEA的發(fā)生。反過來，這就有助于更多激子輻射重組，進而極大提高光致發(fā)光的量子產(chǎn)率。
雖然該團隊的大部分實驗?zāi)壳斑€只是針對一些2D材料的機械剝離薄片，但研究人員還是可以證明，這種應(yīng)變對量產(chǎn)規(guī)模下大面積（厘米級）WS2切片量子產(chǎn)率的提升同樣有著積極的效果。研究人員認為，這一額外發(fā)現(xiàn)可以表明，基于這些理論分析的新一代LED有望在高亮度水平下工作，而不再受效率降低的困擾。
“這些單層半導(dǎo)體材料，”團隊負責(zé)人Ali Javey在與研究同時發(fā)布的新聞稿中說，“對光電應(yīng)用來說非常有吸引力，因為它們即使在高亮度水平下也能提供非常高的發(fā)光效率，甚至在一些存在大量缺陷的晶體器件中。”
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