突破 | 拉伸LED器件，可實(shí)現(xiàn)接近100%的發(fā)光效率

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，眾所周知，從智能手機(jī)屏幕到節(jié)能照明，發(fā)光二極管 (LED) 從誕生以來(lái)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(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但是一直以來(lái)都有一個(gè)很難解決的問(wèn)題，那就是普通LED的發(fā)光效率通常會(huì)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(guò)渡金屬二硫?qū)倩?nbsp;(TMD) ，對(duì)這一類器件來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題尤其令人煩惱。實(shí)際上，這些原子級(jí)厚度的TMD材料，在高亮度驅(qū)動(dòng)下發(fā)光效率會(huì)顯著下降，這也直接阻礙了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的使用。

圖1.美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，稍微彎曲的原子級(jí)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(wèn)題——隨亮度增加而下降

根據(jù)外媒Osa-opn報(bào)道，最近，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)室的研究人員似乎已經(jīng)找到了一種非常簡(jiǎn)單的方法，這些方法可以輕松繞過(guò)這些LED的效率障礙（科學(xué)，doi：10.1126/science.abi9193）。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)表明，對(duì)上述TMD型LED器件施加小于1%的機(jī)械應(yīng)變（拉伸）就可以通過(guò)對(duì)材料電子能級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，實(shí)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(tuán)隊(duì)認(rèn)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(wèn)題。 

激子-激子湮滅

在所有有機(jī)和一些無(wú)機(jī)LED器件中，高亮度下的效率下降問(wèn)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(shí)，它會(huì)將帶負(fù)電的電子從半導(dǎo)體的價(jià)帶激發(fā)到其導(dǎo)帶上，而激發(fā)后的位置會(huì)留下帶正電的空穴。在具有特定特性的半導(dǎo)體中，上述過(guò)程形成的電子-空穴對(duì)會(huì)進(jìn)一步形成一個(gè)束縛對(duì)，這一束縛對(duì)實(shí)際上可以認(rèn)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(jìn)一步復(fù)合并發(fā)生輻射——對(duì)外產(chǎn)生光子，這一過(guò)程就是LED發(fā)出可見(jiàn)光的過(guò)程。

 在低電流驅(qū)動(dòng)下，LED有源區(qū)的激子密度很低，這時(shí)幾乎所有產(chǎn)生的激子都有足夠的空間進(jìn)行輻射復(fù)合，這種狀態(tài)下的TMD LED，其量子產(chǎn)率可以達(dá)到近100%。但隨著驅(qū)動(dòng)電流的進(jìn)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(kāi)始出現(xiàn)無(wú)規(guī)律碰撞——這一過(guò)程并不會(huì)有光子產(chǎn)生，激子之間相互抵消會(huì)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(guò)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(duì)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(xì)節(jié)。根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校這個(gè)團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，特別是對(duì)于TMD型半導(dǎo)體，EEA的數(shù)量會(huì)因范霍夫奇點(diǎn)（Hove Singularities）而增強(qiáng)——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(shí)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(wèn)題，順著上述思路，伯克利的這些研究人員一直致力于通過(guò)調(diào)整TMD材料的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)改善效率的降低。據(jù)介紹，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步對(duì)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(qiáng)度（以及激子密度）的增加，研究人員開(kāi)始測(cè)量材料的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究小組發(fā)現(xiàn)，作為參考，沒(méi)有拉伸——無(wú)應(yīng)變的TMD，正如預(yù)期的那樣，其量子產(chǎn)率會(huì)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(lái)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(dá)到0.4%時(shí)，即使高亮度驅(qū)動(dòng)也沒(méi)有看到光效的明顯下降。此時(shí)，無(wú)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。

完全克服高亮度導(dǎo)致的光效降低問(wèn)題

該團(tuán)隊(duì)的分析表明，拉伸等過(guò)程造成的應(yīng)變對(duì)這種原子級(jí)半導(dǎo)體器件的量子產(chǎn)率有著深遠(yuǎn)的的影響，而這一點(diǎn)和半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中“鞍點(diǎn)”的存在有關(guān)——這一點(diǎn)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(diǎn)區(qū)域的鞍點(diǎn)剛好位于激子-激子湮滅的有利能量附近，因此會(huì)有大量的電子因?yàn)樘幱谠摖顟B(tài)而大概率發(fā)生EEA現(xiàn)象，顯然它有助于加強(qiáng)EEA現(xiàn)象發(fā)生的概率。作為對(duì)比，施加一定的拉伸應(yīng)變（稍微彎曲）會(huì)重塑材料的能帶結(jié)構(gòu)，它可以充分移動(dòng)這一鞍點(diǎn)的能量位置，讓范霍夫奇點(diǎn)不利于EEA的發(fā)生。反過(guò)來(lái)，這就有助于更多激子輻射重組，進(jìn)而極大提高光致發(fā)光的量子產(chǎn)率。

雖然該團(tuán)隊(duì)的大部分實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€只是針對(duì)一些2D材料的機(jī)械剝離薄片，但研究人員還是可以證明，這種應(yīng)變對(duì)量產(chǎn)規(guī)模下大面積（厘米級(jí)）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(rèn)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Ali Javey在與研究同時(shí)發(fā)布的新聞稿中說(shuō)，“對(duì)光電應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有吸引力，因?yàn)樗鼈兗词乖诟吡炼人较乱材芴峁┓浅８叩陌l(fā)光效率，甚至在一些存在大量缺陷的晶體器件中。”