En fysisk effekt som kallas superinjektion ligger till grund för moderna ljusemitterande dioder (LED) och lasrar. I decennier trodde man att denna effekt endast inträffade i halvledar heterostrukturer - det vill säga strukturer som består av två eller flera halvledarmaterial. Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik har funnit att superinjektion är möjlig i homostrukturer, som är gjorda av ett enda material. Detta öppnar helt nya förutsättningar för utveckling av ljuskällor. Tidningen kom ut 21 februari i tidningen Halvledarvetenskap och teknik .

Halvledarljuskällor, såsom lasrar och lysdioder, är kärnan i modern teknik. De möjliggör laserskrivare och höghastighetsinternet. Men för bara 60 år sedan ingen skulle föreställa sig att halvledare används som material för starka ljuskällor. Problemet var att för att generera ljus, sådana anordningar kräver att elektroner och hål - de kostnadsfria laddningsbärarna i alla halvledare - rekombineras. Ju högre koncentration av elektroner och hål, ju oftare de rekombineras, gör ljuskällan ljusare. Dock, under en lång tid, ingen halvledaranordning kunde tillverkas för att ge en tillräckligt hög koncentration av både elektroner och hål.

Lösningen hittades på 1960 -talet av Zhores Alferov och Herbert Kroemer. De föreslog att använda heterostrukturer, eller "smörgås" -strukturer, som består av två eller flera komplementära halvledare istället för bara en. Om man placerar en halvledare mellan två halvledare med bredare bandgap och tillämpar en förspänning framåt, koncentrationen av elektroner och hål i mellanskiktet kan nå värden som är storleksordningar högre än de i de yttre skikten. Denna effekt, känd som superinjektion, ligger till grund för moderna halvledarlasrar och lysdioder. Upptäckten gav Alferov och Kroemer Nobelpriset i fysik år 2000.

Dock, två godtyckliga halvledare kan inte skapa en livskraftig heterostruktur. Halvledarna måste ha samma period av kristallgitteret. Annat, antalet defekter vid gränssnittet mellan de två materialen blir för högt, och inget ljus kommer att genereras. På ett sätt, detta skulle likna att försöka skruva en mutter på en bult vars gänghöjd inte matchar muttern. Eftersom homostrukturer består av bara ett material, en del av enheten är en naturlig förlängning av den andra. Även om homostrukturer är lättare att tillverka, man trodde att homostrukturer inte kunde stödja superinjektion och därför inte är en livskraftig grund för praktiska ljuskällor.

Igor Khramtsov och Dmitry Fedyanin från Moskva institutet för fysik och teknik gjorde en upptäckt som drastiskt förändrar perspektivet på hur ljusemitterande enheter kan utformas. Fysikerna fann att det är möjligt att uppnå superinjektion med bara ett material. Vad är mer, de flesta av de kända halvledarna kan användas.

"När det gäller kisel och germanium, superinjektion kräver kryogena temperaturer, och detta ifrågasätter nyttan av effekten. Men i diamant- eller galliumnitrid, stark injektion kan inträffa även vid rumstemperatur, "Dr Fedyanin sa. Detta innebär att effekten kan användas för att skapa massmarknadsanordningar. Enligt det nya papperet, superinjektion kan producera elektronkoncentrationer i en diamantdiod som är 10, 000 gånger högre än de som tidigare antogs vara ytterst möjliga. Som ett resultat, diamant kan tjäna som grund för ultravioletta lysdioder tusentals gånger ljusare än vad de mest optimistiska teoretiska beräkningarna förutspådde. "Förvånande, effekten av superinjektion i diamant är 50 till 100 gånger starkare än den som används i de flesta massmarknadens halvledarlampor och lasrar baserade på heterostrukturer, "Påpekade Khramtsov.

Fysikerna betonade att superinjektion bör vara möjlig i ett brett spektrum av halvledare, från konventionella bredbandiga halvledare till nya tvådimensionella material. Detta öppnar nya möjligheter för att designa högeffektiv blått, violett, ultraviolett, och vita lysdioder, samt ljuskällor för optisk trådlös kommunikation (Li-Fi), nya typer av lasrar, sändare för kvantinternet, och optiska enheter för tidig sjukdomsdiagnostik.