Το υλικό LED λάμπει υπό πίεση

Η εφαρμογή μηχανικής τάσης σε αυτόν τον διαφανή και ατομικά λεπτό ημιαγωγό μονής στρώσης δίνει ένα υλικό με απόδοση εκπομπής φωτός κοντά στο 100%. Πίστωση: Ali Javey / Berkeley Lab

Τα smartphone, οι φορητοί υπολογιστές και οι εφαρμογές φωτισμού βασίζονται σε δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) για να λάμψουν. Αλλά όσο πιο φωτεινές είναι αυτές οι τεχνολογίες LED, τόσο πιο αναποτελεσματικές γίνονται, απελευθερώνοντας περισσότερη ενέργεια με τη μορφή θερμότητας αντί για φως.


Τώρα, όπως αναφέρει η εφημερίδα Επιστήμη, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) και το UC Berkeley απέδειξαν μια προσέγγιση για την επίτευξη αποδοτικότητας εκπομπών φωτός κοντά στο 100% σε όλα τα επίπεδα φωτός.

Η προσέγγισή τους επικεντρώνεται στο τέντωμα ή τη συμπίεση μιας λεπτής μεμβράνης ημιαγωγών με τρόπο που να αλλάζει ευνοϊκά την ηλεκτρονική δομήΕ

Η ομάδα αναγνώρισε πώς η ηλεκτρονική δομή του ημιαγωγού υπαγορεύει την αλληλεπίδραση μεταξύ ενεργειακών σωματιδίων στο υλικό. Αυτά τα σωματίδια μερικές φορές συγκρούονται και εκμηδενίζονται μεταξύ τους, χάνοντας ενέργεια με τη μορφή θερμότητας αντί να εκπέμπουν φως στη διαδικασία. Η αλλαγή της ηλεκτρονικής δομής του υλικού μείωσε την πιθανότητα εκμηδένισης και οδήγησε σε σχεδόν τέλεια μετατροπή της ενέργειας σε φως, ακόμη και σε υψηλή φωτεινότητα.

“Είναι πάντα ευκολότερο να εκπέμπουμε θερμότητα παρά να εκπέμπουμε φως, ειδικά σε υψηλά επίπεδα φωτός. Στη δουλειά μας, μπορέσαμε να μειώσουμε τη διαδικασία απώλειας εκατό φορές”, δήλωσε ο Ali Javey., Κύριος ερευνητής στο Berkeley Lab και καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών. και IT στο UC Berkeley.

Η απόδοση των οδηγήσεων εξαρτάται από τα διέγερση

Η ανακάλυψη της ομάδας του Μπέρκλεϋ έγινε χρησιμοποιώντας ένα μόνο στρώμα πάχους 3 ατόμων από ένα είδος υλικού ημιαγωγών, που ονομάζεται διχαλκογονίδιο μετάβασης, το οποίο υποβλήθηκε σε μηχανική καταπόνηση. Αυτά τα λεπτά υλικά έχουν μια μοναδική κρυσταλλική δομή η οποία δημιουργεί ηλεκτρονικά εξαρτήματα και οπτικές ιδιότητες: Όταν τα άτομα τους διεγείρονται είτε από τη διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος είτε από ένα έντονο φως, δημιουργούνται ενεργειακά σωματίδια που ονομάζονται διεγέρτες.

Τα εξιτόνια μπορούν να απελευθερώσουν την ενέργειά τους εκπέμποντας φως ή θερμότητα. Η αποδοτικότητα με την οποία εκπέμπουν φως τα εξιτόνια σε αντίθεση με τη θερμότητα είναι μια σημαντική μέτρηση που καθορίζει την τελική απόδοση των LED. Αλλά η επίτευξη υψηλών επιδόσεων απαιτεί ακριβώς τις κατάλληλες συνθήκες.

“Όταν η συγκέντρωση του εξιτόνου είναι χαμηλή, είχαμε ήδη καταλάβει πώς να επιτύχουμε τέλεια απόδοση εκπομπών φωτός”, δήλωσε ο Shiekh Zia Uddin, μεταπτυχιακός φοιτητής του UC Berkeley και συγγραφέας του άρθρου. Αυτός και οι συνάδελφοί του είχαν δείξει ότι τα χημικά ή ηλεκτροστατικά φορτισμένα μονοστρωματικά υλικά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μετατροπή υψηλής απόδοσης, αλλά μόνο σε χαμηλή συγκέντρωση διεγέρτων.

Ωστόσο, για την υψηλή συγκέντρωση διεγέρτων στην οποία συνήθως λειτουργούν οπτικές και ηλεκτρονικές συσκευές, πάρα πολλά εξιτόνια εκμηδενίζουν το ένα το άλλο. Νέα εργασία από την ομάδα του Μπέρκλεϋ υποδηλώνει ότι το κόλπο για την επίτευξη υψηλών επιδόσεων σε υψηλές συγκεντρώσεις έγκειται στην προσαρμογή της δομής της μπάντας του υλικού, μια ηλεκτρονική ιδιότητα που ελέγχει τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα εξιτόνια μεταξύ τους. διέγερση εκμηδένιση.

“Όταν δημιουργούνται πιο διεγερμένα σωματίδια, η ισορροπία κλίνει προς τη δημιουργία περισσότερης θερμότητας αντί για φως. Στη δουλειά μας, καταλάβαμε πρώτα πώς αυτή η ισορροπία ελέγχεται από τη δομή της μπάντας”, δήλωσε ο Hyungjin Kim, μεταδιδακτορικός ερευνητής και συγγραφέας στο έργο. Αυτή η κατανόηση τους οδήγησε να προτείνουν τροποποίηση της δομής της μπάντας με ελεγχόμενο τρόπο χρησιμοποιώντας φυσικό στρες.

Υψηλή απόδοση υπό πίεση

Οι ερευνητές ξεκίνησαν τοποθετώντας προσεκτικά μια λεπτή μεμβράνη ημιαγωγών (δισουλφίδιο βολφραμίου ή WS2) σε ένα εύκαμπτο πλαστικό υπόστρωμα. Λυγίζοντας το πλαστικό υπόστρωμα, άσκησαν μια μικρή πίεση στο φιλμ. Ταυτόχρονα, οι ερευνητές εστίασαν μια ακτίνα λέιζερ με διαφορετικές εντάσεις στο φιλμ, με μια πιο έντονη δέσμη να οδηγεί σε υψηλότερη συγκέντρωση διεγέρτων – μια υψηλή ρύθμιση “φωτεινότητας” σε μια ηλεκτρονική συσκευή.

Λεπτομερείς μετρήσεις κάτω από ένα μικροσκόπιο φωτός επέτρεψαν στους ερευνητές να παρατηρήσουν τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπει το υλικό ως κλάσμα των φωτονίων που είχε απορροφήσει από το λέιζερ. Ανακάλυψαν ότι η εκπεμπόμενη ύλη φως σχεδόν τέλεια απόδοση σε όλα τα επίπεδα φωτός χάρη στον κατάλληλο περιορισμό.

Για να κατανοήσει καλύτερα τη συμπεριφορά του υλικού υπό πίεση, η ομάδα πραγματοποίησε αναλυτική μοντελοποίηση.

Διαπίστωσαν ότι οι συγκρούσεις απώλειας θερμότητας μεταξύ των διεγέρτων ενισχύονται λόγω των “σημείων σέλας” – περιοχές όπου μια ενεργειακή επιφάνεια καμπυλώνει με τρόπο που μοιάζει με ένα βουνό ανάμεσα σε δύο κορυφές – που βρίσκεται φυσικά στη δομή της ζώνης του ημιαγωγού μονής στρώσης.

Η εφαρμογή μηχανικής καταπόνησης έκανε την ενέργεια αυτής της διαδικασίας να αλλάξει ελαφρώς, μετακινώντας τα διεγέρματα μακριά από τα σημεία της σέλας. Ως αποτέλεσμα, η τάση των σωματιδίων να συγκρούονται μειώθηκε και η μείωση της απόδοσης σε υψηλές συγκεντρώσεις φορτισμένων σωματιδίων έπαψε να αποτελεί πρόβλημα.

“Αυτά τα υλικά ημιαγωγών μονής στρώσης είναι ενδιαφέρον για οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές επειδή προσφέρουν μοναδική απόδοση ακόμη και σε υψηλά επίπεδα φωτεινότητας και παρά την παρουσία μεγάλου αριθμού ατελειών στους κρυστάλλους τους”, δήλωσε ο Javey.

Η μελλοντική εργασία της ομάδας Berkeley Lab θα επικεντρωθεί στη χρήση του υλικού για την κατασκευή αληθινών συσκευών LED για περαιτέρω δοκιμή της υψηλής απόδοσης της τεχνολογίας υπό αυξημένη φωτεινότητα.


Το να βλέπεις είναι πιστευτό: άμεση απεικόνιση του μήκους σκέδασης του εξιτόνου εγγραφής


Περισσότερες πληροφορίες:
Hyungjin Kim et al, Η μη ακτινοβολία διασπάται αναστέλλει σε όλες τις πυκνότητες εξιτόνων στους ημιαγωγούς μονής στρώσης, Επιστήμη (2021). DOI: 10.1126 / science.abi9193

Παραθέτω, αναφορά: LED Material Glows Under Power (2021, 27 Αυγούστου) ανακτήθηκε στις 27 Αυγούστου 2021 από https://phys.org/news/2021-08-material-strain.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την εύλογη χρήση για ιδιωτικούς σκοπούς μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημέρωση.

READ  Οι ωκεανογράφοι έχουν μια εξήγηση για την αινιγματική αναταραχή του Αρκτικού Ωκεανού

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *