En ny typ av ljusdiod har utvecklats vid TU Wien. Ljus produceras från strålningsförfallet av excitonkomplex i lager med bara några atomtjocklekar.

När partiklar bindas i fritt utrymme, de skapar normalt atomer eller molekyler. Dock, mycket mer exotiska bindningstillstånd kan produceras inuti fasta föremål.

Forskare vid TU Wien har nu lyckats använda detta:så kallade "multi-partikel exciton complex" har producerats genom att applicera elektriska pulser på extremt tunna materiallager av volfram och selen eller svavel. Dessa excitonkluster är bindningstillstånd som består av elektroner och "hål" i materialet och kan omvandlas till ljus. Resultatet är en innovativ form av ljusemitterande diod där våglängden för det önskade ljuset kan styras med hög precision. Dessa fynd har nu publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Elektroner och hål

I ett halvledarmaterial, elektrisk laddning kan transporteras på två olika sätt. Å ena sidan, elektroner kan röra sig rakt igenom materialet från atom till atom i vilket fall de tar negativ laddning med sig. Å andra sidan, om en elektron saknas någonstans i halvledaren kommer den punkten att laddas positivt och kallas ett "hål". Om en elektron rör sig upp från en närliggande atom och fyller hålet, den lämnar i sin tur ett hål i sin tidigare position. På det sättet, hål kan röra sig genom materialet på liknande sätt som elektroner men i motsatt riktning.

"Under vissa omständigheter, hål och elektroner kan binda till varandra, "säger prof. Thomas Mueller från Photonics Institute (fakulteten för elektroteknik och informationsteknik) vid TU Wien." I likhet med hur en elektron kretsar kring den positivt laddade atomkärnan i en väteatom, en elektron kan kretsa kring det positivt laddade hålet i ett fast föremål. "

Ännu mer komplexa bindningstillstånd är möjliga:så kallade trioner, biexcitoner eller kvintoner som involverar tre, fyra eller fem bindningspartners. "Till exempel, biexciton är excitonekvivalenten för vätemolekylen H2, "förklarar Thomas Mueller.

Tvådimensionella lager

I de flesta fasta ämnen, sådana bindningstillstånd är endast möjliga vid extremt låga temperaturer. Men situationen är annorlunda med så kallade "tvådimensionella material, "som endast består av atom-tunna lager. Teamet vid TU Wien, vars medlemmar också omfattade Matthias Paur och Aday Molina-Mendoza, har skapat en smart utformad smörgåsstruktur där ett tunt lager volframdiselenid eller volframdisulfid låses in mellan två bornitridlager. En elektrisk laddning kan appliceras på detta ultratunna lagersystem med hjälp av grafenelektroder.

"Excitonerna har en mycket högre bindningsenergi i tvådimensionella skiktade system än i konventionella fasta ämnen och är därför betydligt mer stabila. Enkla bindningstillstånd som består av elektroner och hål kan demonstreras även vid rumstemperatur. Stort, excitonkomplex kan detekteras vid låga temperaturer, "rapporterar Thomas Mueller. Olika exciton -komplex kan produceras beroende på hur systemet försörjs med elektrisk energi med hjälp av kortspänningspulser. När dessa komplex förfaller, de släpper ut energi i form av ljus vilket är hur det nyutvecklade lagersystemet fungerar som en ljusemitterande diod.

"Vårt system med ljusskikt representerar inte bara ett utmärkt tillfälle att studera excitoner, men är också en innovativ ljuskälla, säger Matthias Paur, huvudförfattare till studien. "Vi har därför nu en ljusemitterande diod vars våglängd kan påverkas specifikt-och mycket lätt också, helt enkelt genom att ändra formen på den applicerade elektriska pulsen. "