Sekelompok ilmuwan Amerika menemukan bahwa semikonduktor LED yang sedikit bengkok hingga ketebalan atom dapat memancarkan cahaya dengan efisiensi mendekati 100% dan menghindari penurunan efisiensi karena kecerahan meningkat - yang biasanya mengganggu LED ini.
Dari layar ponsel pintar hingga pencahayaan berenergi rendah, dioda pemancar cahaya (LED) telah mengubah dunia berkali-kali. Tetapi efisiensi LED cenderung menurun karena kecerahan meningkat - masalah yang sangat merepotkan untuk bahan semikonduktor dua dimensi yang baru dan menarik, yang disebut dihalides logam transisi (TMD). Penurunan efisiensi yang signifikan dari bahan-bahan tipis atom ini pada kecerahan tinggi menghambat aplikasi mereka dalam aplikasi praktis.
Sekarang, para peneliti di University of California, Berkeley dan Lawrence Berkeley National Laboratory mungkin telah menemukan cara yang sangat sederhana untuk melewati hambatan efisiensi yang LED ini rentan terhadap pertemuan.
Tim telah membuktikan bahwa menerapkan strain mekanis kurang dari 1% pada TMD dapat mengubah struktur elektronik material, dan bahkan pada tingkat kecerahan tinggi, cukup untuk mencapai efisiensi emisi cahaya hampir 100% (yaitu hasil kuantum fotoluminesensi). Tim peneliti percaya bahwa hasil ini dapat memungkinkan generasi baru peralatan LED untuk menghindari erosi efisiensi yang disebabkan oleh peningkatan kecerahan.
Dalam semua LED organik dan beberapa anorganik, penurunan efisiensi pada kecerahan tinggi berakar pada fenomena yang disebut pemusnahan exciton-exciton (EEA).
Ketika sumber energi seperti arus listrik atau sinar laser menggairahkan semikonduktor, ia menendang elektron bermuatan negatif dari pita valensi semikonduktor ke dalam pita konduksi, meninggalkan lubang elektron bermuatan positif.
Dalam semikonduktor dengan sifat yang benar, pasangan elektron-lubang masih ada dalam bentuk partikel kuasi netral yang disebut excitons. Rekombinasi radiasi berikutnya elektron dan lubang di excitons menghasilkan emisi foton, sehingga menghasilkan emisi cahaya tampak dari LED.
Pada kepadatan eksisi rendah, hampir semua exciton memiliki cukup ruang untuk rekombinasi radiasi, dan hasil kuantum LED TMD mendekati 100%. Namun, ketika kecerahan LED meningkat dan kepadatan exciton meningkat, exciton mulai bertabrakan dan menghapus satu sama lain, yang mengakibatkan pelenaan non-radiasi, atau EEA, hilang dalam bentuk panas. Hasil: Efisiensi photoluminescence dari bahan ultra-tipis ini menurun saat kecerahan meningkat.
Jumlah EEA non-radiasi sangat tergantung pada rincian struktur pita energi semikonduktor. Tim peneliti Berkeley menemukan bahwa, terutama untuk semikonduktor TMD, jumlah EEAs ditingkatkan oleh singularitas van Hove.
Singularitas van Hove adalah sedikit distorsi dalam struktur energi semikonduktor, yang meningkatkan kepadatan keadaan (jumlah keadaan energi yang mungkin yang dapat ditempati) pada saat itu.
Untuk memecahkan masalah EEA di bawah kepadatan exciton tinggi, peneliti Berkeley mempelajari metode untuk menyesuaikan struktur pita energi bahan TMD. Mereka menemukan bahwa menerapkan strain uniaxial - secara harfiah meregangkan bahan sedikit bekerja dengan baik.
Dalam percobaan mereka, tim memasang banyak TMD yang berbeda, termasuk WS2, WSe2, dan MoS2 satu lapis. Pada substrat plastik fleksibel, lapisan boron nitrida heksagonal (sebagai isolator gerbang) dan lapisan graphene (sebagai gerbang) ditambahkan. elektroda). Kemudian, para peneliti menerapkan bias tegangan pada perangkat, membangkitkan bahan dengan sinar laser untuk menghasilkan excitons, dan mengukur hasil kuantum fotoluminesensi dari bahan saat intensitas laser (dan kepadatan eksisi) meningkat.
Tim menemukan bahwa untuk TMD yang tidak terlatih, seperti yang diharapkan, hasil kuantum meluruh saat kepadatan exciton meningkat. Namun, sedikit membengkokkan substrat fleksibel dan menerapkan strain tarik 0,2% ke TMD akan menghasilkan pengurangan yang signifikan dalam jumlah roll-off. Ketika strain tarik adalah 0,4%, tidak ada penurunan efisiensi yang efektif di bawah kecerahan tinggi, dan bahan dapat mempertahankan hampir 100% hasil kuantum fotoluminesensi terlepas dari kepadatan exciton.
Analisis tim menunjukkan bahwa efek ketegangan pada hasil kuantum terkait dengan keberadaan "titik pelana" dalam struktur pita energi semikonduktor yang mirip dengan saluran gunung dalam lanskap energinya. Dalam bahan yang tidak terlatih, titik pelana, yaitu, wilayah singularitas Van Hove, terletak di dekat energi yang menguntungkan dari pemusnahan exciton yang memproduksi exciton, sehingga meningkatkan tingkat pemusnahan exciton. Sedikit membungkuk bahan dapat membentuk kembali struktur band dan sepenuhnya memindahkan titik pelana sehingga singularitas van Hove tidak kondusif untuk pemusnahan exciton. Ini, pada gilirannya, memungkinkan lebih banyak rekombinasi radiasi exciton dan meningkatkan hasil kuantum fotoluminesensi.
Meskipun sebagian besar percobaan tim melibatkan pengelupasan mekanis dari berbagai lembaran bahan dua dimensi, para peneliti juga dapat membuktikan efek menguntungkan dari ketegangan pada hasil kuantum lembaran WS2 area besar (sentimeter). Tumbuh dengan proses deposisi uap kimia yang diperpanjang. Para peneliti percaya bahwa penemuan tambahan ini menunjukkan prospek generasi baru LED yang tidak terpengaruh oleh peleniran kerugian efisiensi pada kecerahan tinggi.
