Smartphones, bärbara datorer, och belysningstillämpningar förlitar sig på ljusdioder (lysdioder) för att lysa starkt. Men ju starkare dessa LED-tekniker lyser, ju mer ineffektiva de blir, släpper ut mer energi som värme istället för ljus.

Nu, som rapporterats i tidskriften Vetenskap , ett team ledd av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har visat ett tillvägagångssätt för att uppnå nära 100 % ljusemissionseffektivitet på alla ljusstyrkanivåer.

Deras tillvägagångssätt fokuserar på att sträcka eller komprimera en tunn halvledarfilm på ett sätt som positivt förändrar dess elektroniska struktur.

Teamet identifierade precis hur halvledarens elektroniska struktur dikterade interaktionen mellan de energiska partiklarna i materialet. Dessa partiklar kolliderar ibland och förintar varandra, förlora energi som värme istället för att avge ljus i processen. Att ändra materialets elektroniska struktur minskade sannolikheten för förintelse och ledde till en nästan perfekt omvandling av energi till ljus, även vid hög ljusstyrka.

"Det är alltid lättare att avge värme än att avge ljus, speciellt vid höga ljusstyrkor. I vårt arbete har vi kunnat reducera förlustprocessen med hundra gånger, sa Ali Javey, en senior forskare vid Berkeley Lab och professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley.

LED-prestanda beror på excitoner

Berkeley-teamets upptäckt gjordes med hjälp av en singel, 3-atomtjockt lager av en typ av halvledarmaterial, kallad en övergångsmetalldikalkogenid, som utsattes för mekanisk belastning. Dessa tunna material har en unik kristallstruktur som ger upphov till unika elektroniska och optiska egenskaper:När deras atomer exciteras antingen genom att passera en elektrisk ström eller genom att lysa, energiska partiklar som kallas excitoner skapas.

Excitoner kan frigöra sin energi antingen genom att avge ljus eller värme. Effektiviteten med vilken excitoner avger ljus i motsats till värme är ett viktigt mått som bestämmer den ultimata prestandan för lysdioder. Men för att uppnå hög prestanda krävs exakt rätt förutsättningar.

"När excitonkoncentrationen är låg, vi hade tidigare funnit hur man uppnår perfekt ljusutsläppseffektivitet, sa Shiekh Zia Uddin, en doktorand från UC Berkeley och medförfattare på tidningen. Han och hans kollegor hade visat att kemiskt eller elektrostatiskt laddning av enskiktsmaterial kunde leda till högeffektiv omvandling, men endast för en låg koncentration av excitoner.

För den höga excitonkoncentration vid vilken optiska och elektroniska enheter vanligtvis fungerar, fastän, för många excitoner förintar varandra. Berkeley-teamets nya arbete tyder på att tricket för att uppnå hög prestanda för höga koncentrationer låg i att justera materialets bandstruktur, en elektronisk egenskap som styr hur excitoner interagerar med varandra och kan minska sannolikheten för excitonförintelse.

"När mer exciterade partiklar skapas, balansen lutar mot att skapa mer värme istället för ljus. I vårt arbete, först förstod vi hur denna balans styrs av bandstrukturen, sa Hyungjin Kim, en postdoktor och medförfattare till arbetet. Den förståelsen fick dem att föreslå att bandstrukturen skulle modifieras på ett kontrollerat sätt med fysisk belastning.

Hög prestanda under påfrestning

Forskarna började med att försiktigt placera en tunn halvledare (volframdisulfid, eller WS2) film ovanpå ett flexibelt plastsubstrat. Genom att böja plastsubstratet, de applicerade en liten mängd påfrestningar på filmen. På samma gång, forskarna fokuserade en laserstråle med olika intensiteter på filmen, med en mer intensiv stråle som leder till en högre koncentration av excitoner - en hög "ljusstyrka"-inställning i en elektronisk enhet.

Detaljerade optiska mikroskopmätningar gjorde det möjligt för forskarna att observera antalet fotoner som emitterades av materialet som en bråkdel av de fotoner som det hade absorberat från lasern. De fann att materialet avgav ljus med nästan perfekt effektivitet på alla ljusstyrkanivåer genom lämplig belastning.

För att ytterligare förstå materialets beteende under ansträngning, teamet utförde analytisk modellering.

De fann att de värmeförlustkollisioner mellan excitoner förstärks på grund av "sadelpunkter" - regioner där en energiyta kröker sig på ett sätt som liknar ett bergspass mellan två toppar - som finns naturligt i enskiktshalvledarens bandstruktur.

Tillämpningen av den mekaniska påfrestningen ledde till att energin i den processen förändrades något, dra excitonerna bort från sadelpunkterna. Som ett resultat, partiklarnas tendens att kollidera minskade, och minskningen av effektiviteten vid höga koncentrationer av laddade partiklar upphörde att vara ett problem.

"Dessa enskiktiga halvledarmaterial är spännande för optoelektroniska applikationer eftersom de unikt ger hög effektivitet även vid höga ljusstyrkor och trots förekomsten av ett stort antal brister i sina kristaller, sa Javey.

Framtida arbete av Berkeley Lab-teamet kommer att fokusera på att använda materialet för att tillverka faktiska LED-enheter för ytterligare testning av teknikens höga effektivitet under ökande ljusstyrka.