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CINNO Research產業(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) 從誕生以來已經在很多領域極大改變了世界。雖然目前的LED行業(yè)在越來越多的應用領域蓬勃發(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半導體材料——所謂的過渡金屬二硫屬化物 (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用中的使用。
圖1.美國科學家發(fā)現(xiàn)，稍微彎曲的原子級厚度LED半導體可以獲得接近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，doi：10.1126/science.abi9193）。該團隊已經表明，對上述TMD型LED器件施加小于1%的機械應變（拉伸）就可以通過對材料電子能級結構的改變，實現(xiàn)接近100%的發(fā)光效率（即光致發(fā)光量子產率），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，當電流或激光束等能源激發(fā)半導體器件有源層時，它會將帶負電的電子從半導體的價帶激發(fā)到其導帶上，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粒子——激子(Exiton)。隨后，這些激子中的電子和空穴進一步復合并發(fā)生輻射——對外產生光子，這一過程就是LED發(fā)出可見光的過程。
在低電流驅動下，LED有源區(qū)的激子密度很低，這時幾乎所有產生的激子都有足夠的空間進行輻射復合，這種狀態(tài)下的TMD LED，其量子產率可以達到近100%。但隨著驅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生，激子之間相互抵消會導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體能帶結構的細節(jié)。根據(jù)加州大學伯克利分校這個團隊的發(fā)現(xiàn)，特別是對于TMD型半導體，EEA的數(shù)量會因范霍夫奇點（Hove Singularities）而增強——半導體能量結構中的一些微小扭結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）。
拉伸以提高效率
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整TMD材料的能帶結構來改善效率的降低。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。在此基礎上，研究人員進一步對這些半導體器件施加偏壓，并用激光束激發(fā)材料以產生激子。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)光量子產率。
據(jù)試驗結果，研究小組發(fā)現(xiàn)，作為參考，沒有拉伸——無應變的TMD，正如預期的那樣，其量子產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，拉伸應變達到0.4%時，即使高亮度驅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)光量子產率。
完全克服高亮度導致的光效降低問題
該團隊的分析表明，拉伸等過程造成的應變對這種原子級半導體器件的量子產率有著深遠的的影響，而這一點和半導體能帶結構中“鞍點”的存在有關——這一點類似于其能量“景觀”中的山口。在未施加拉伸應變的材料中，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，施加一定的拉伸應變（稍微彎曲）會重塑材料的能帶結構，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)光的量子產率。
雖然該團隊的大部分實驗目前還只是針對一些2D材料的機械剝離薄片，但研究人員還是可以證明，這種應變對量產規(guī)模下大面積（厘米級）WS2切片量子產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。
“這些單層半導體材料，”團隊負責人Ali Javey在與研究同時發(fā)布的新聞稿中說，“對光電應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。”
