美國(guó)科學(xué)家開發(fā)出可彎曲的薄型LED半導(dǎo)體，以接近100%的效率發(fā)光且不易損耗

     一組美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，稍微彎曲成原子薄的LED半導(dǎo)體，可以以接近100%的效率發(fā)出光，并避免效率隨著亮度的增加而下降——這通常會(huì)困擾這些LED。從智能手機(jī)屏幕到低能耗照明，發(fā)光二極管(LED)多次改變了世界。但LED的效率往往會(huì)隨著亮度的增加而降低——這個(gè)問題對(duì)于一種新型的、有趣的二維半導(dǎo)體材料，即所謂的過渡金屬二鹵族(TMDs)來說，尤其令人煩惱。這些原子薄材料在高亮度下的顯著效率下降，阻礙了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用。      

    現(xiàn)在，加州大學(xué)伯克利分校和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員可能已經(jīng)找到了一種非常簡(jiǎn)單的方法來繞過這些LED容易遭遇的效率障礙。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，在TMD上施加小于1%的機(jī)械應(yīng)變，就可以改變材料的電子結(jié)構(gòu)，即使在高亮度水平下，也足以實(shí)現(xiàn)近100%的光發(fā)射效率(即光致發(fā)光量子產(chǎn)率)。研究小組認(rèn)為，這一結(jié)果，可以使新一代LED設(shè)備避免由于亮度增加而造成的效率侵蝕。在所有有機(jī)和一些無機(jī)LED中，高亮度下的效率下降根源于一種被稱為激子-激子湮滅(EEA)的現(xiàn)象。當(dāng)電流或激光束等能量源激發(fā)半導(dǎo)體時(shí)，它將帶負(fù)電荷的電子從半導(dǎo)體的價(jià)帶踢入導(dǎo)帶，留下帶正電荷的電子空穴。在具有正確性質(zhì)的半導(dǎo)體中，電子-空穴對(duì)仍以一種稱為激子的中性準(zhǔn)粒子的形式存在。隨后激子中的電子和空穴的輻射重組導(dǎo)致光子的發(fā)射，從而產(chǎn)生LED的可見光發(fā)射。在低激子密度下，幾乎所有激子都有足夠的空間進(jìn)行輻射重組，TMD LED的量子產(chǎn)率接近100%。但隨著LED亮度的增加，激子密度的增加，激子開始碰撞并相互擦除，導(dǎo)致非輻射衰減，或EEA，以熱量的形式消散。

    結(jié)果：這種超薄材料的光致發(fā)光效率隨著亮度的增加而下降。非輻射EEA的數(shù)量在很大程度上取決于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。伯克利的研究小組發(fā)現(xiàn)，特別是對(duì)于TMD半導(dǎo)體，EEA的數(shù)量通過van Hove奇點(diǎn)得到了增強(qiáng)。van Hove奇點(diǎn)是半導(dǎo)體能量結(jié)構(gòu)中微小的扭曲，它在那一點(diǎn)上增強(qiáng)了態(tài)密度(可占據(jù)的可能能態(tài)的數(shù)量)。為了解決高激子密度下的EEA問題，伯克利的研究人員研究了調(diào)整TMD材料能帶結(jié)構(gòu)的方法。他們發(fā)現(xiàn)施加單軸應(yīng)變——字面意思是稍微拉伸材料——效果很好。在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)安裝了許多不同的TMD，包括單層WS2、WSe2和MoS2，在柔性塑料基板上，添加六方氮化硼層(作為柵極絕緣體)和石墨烯層(作為柵極電極)。

    然后，研究人員在該設(shè)備上施加電壓偏置，用激光束激發(fā)材料以產(chǎn)生激子，并隨著激光強(qiáng)度(以及激子密度)的增加，測(cè)量材料的光致發(fā)光量子產(chǎn)額。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非應(yīng)變TMD，正如預(yù)期的那樣，量子產(chǎn)率隨著激子密度的增加而衰減。然而，輕微彎曲柔性襯底，施加0.2%的拉伸應(yīng)變?cè)赥MD，會(huì)導(dǎo)致滾脫量顯著減少。當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?.4%時(shí)，在高亮度下沒有有效的效率下降，材料無論激子密度如何都能保持近100%的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。該團(tuán)隊(duì)的分析表明，張力對(duì)量子產(chǎn)率的影響與半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中“鞍點(diǎn)”（saddle points）的存在有關(guān)——類似于其能量景觀中的山脈通道。在非應(yīng)變材料中，鞍點(diǎn)，即范霍夫奇點(diǎn)的區(qū)域，位于激子的有利能量附近——產(chǎn)生了激子湮滅，從而加強(qiáng)了激子湮滅的水平。輕微彎曲材料可以重塑能帶結(jié)構(gòu)，充分移動(dòng)鞍點(diǎn)，使van Hove奇點(diǎn)不有利于激子湮滅。這反過來又允許更多的激子輻射重組，并提高光致發(fā)光的量子產(chǎn)率。雖然該團(tuán)隊(duì)的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)，都涉及到機(jī)械剝離各種二維材料薄片，但研究人員也能夠證明應(yīng)變對(duì)大面積(厘米級(jí))WS2薄片的量子產(chǎn)率的有益影響，該薄片是通過更可擴(kuò)展的化學(xué)氣相沉積過程生長(zhǎng)的。研究人員認(rèn)為，這一額外的發(fā)現(xiàn)，指出了新一代LED在高亮度下不受效率損耗衰減影響的前景。