När atomärt tunna halvledare kombineras i en Lego-stil, de avger ljus med en lägre spänning, vilket potentiellt leder till enheter med låg energiförbrukning.
Även om denna forskning är i sitt grundläggande tillstånd, visar detta lovande för praktiska tillämpningar inom optoelektronik och telekommunikation.
Spänningen hos en lysdiod är vanligtvis lika med eller större än bandgapenergin per elektronladdning. Ett team av forskare baserade vid University of Manchester, University of Warszawa, High Magnetic Field Laboratory i Grenoble och National Institute for Materials Science i Japan har kunnat demonstrera lysdioder som tänds vid mycket lägre spänningar.
Idén att stapla lager av olika material för att göra så kallade heterostrukturer går tillbaka till 1960-talet, när halvledare galliumarsenid undersöktes för att göra miniatyrlasrar - som nu används flitigt.
I dag, heterostrukturer är vanliga och används mycket brett inom halvledarindustrin som ett verktyg för att designa och kontrollera elektroniska och optiska egenskaper i enheter.
Mer nyligen i eran av atomärt tunna tvådimensionella (2-D) kristaller, som grafen, nya typer av heterostrukturer har dykt upp, där atomärt tunna lager hålls samman av relativt svaga van der Waals-krafter.
De nya strukturerna med smeknamnet "van der Waals heterostrukturer" öppnar en enorm potential för att skapa många designermaterial och nya enheter genom att stapla ihop valfritt antal atomärt tunna lager. Hundratals kombinationer blir möjliga annars otillgängliga i traditionella tredimensionella material, potentiellt ge tillgång till ny outforskad optoelektronisk enhetsfunktionalitet eller ovanliga materialegenskaper.
Det finns många experiment gjorda av olika forskargrupper i världen, som fokuserar på ljusavgivande egenskaper hos övergångsmetalldikalkogenider. Dock, ofta görs dessa studier enbart med optiska medel. För praktiska tillämpningar, elektriskt utlöst ljusemission är mer önskvärt.
"Det är fascinerande hur att lägga till bara ett atomärt tunt material kan förändra egenskaperna hos en enhet så dramatiskt. Detta är kraften hos van der Waals heterostrukturer i aktion, " säger Dr Aleksey Kozikov, National Graphene Institute.
Som publicerat i Naturkommunikation , teamet ledd av Dr. Aleksey Kozikov, Professor Kostya Novoselov och prof. Marek Potemski kunde göra detta med el. De band elektroner och hål som sitter i olika dikalkogenider av övergångsmetall, så kallade interlayer excitoner. Forskarna skapade experimentella förhållanden när dessa excitoner rekombinerar icke-strålande, Auger effekt. Den frigjorda energin överförs till andra bärare som sedan kan flytta till högre energitillstånd. Som ett resultat, laddningsbärare vars energi ursprungligen var för låg för att övervinna materialets bandgap kan nu enkelt passera denna potentiella barriär, kombinera och avge ljus. Denna effekt kallas uppkonvertering.
Grafenelektroder används för att elektriskt injicera laddningsbärare genom hexagonal bornitrid staplad i en heterostruktur till molybdendisulfid (MoS) 2 ) och volframdiselenid (WSe 2 ). Genom att ändra avståndet mellan dessa övergångsmetalldikalkogenider genom att lägga till bornitrid däremellan kan lysdioderna ställas in från normal drift till lågspänningsdrift och observera effekten av uppkonvertering.
Ur den grundläggande synvinkeln markerar de observerade effekterna ett viktigt steg mot förverkligandet av excitonkondensation och superfluiditet av van der Waals heterostrukturer.
Dr Johannes Binder, tidningens första författare, från University of Warszawa sa:"När vi började mäta den första MoS 2 /WSe 2 enheter vi blev verkligen förvånade över att observera emission vid så låga pålagda spänningar. Denna uppkonverterade emission visar på ett imponerande sätt vikten av Auger-processer för interlagerexcitoner i van der Waals heterostrukturer. Våra fynd kastar mer ljus över fysiken i den i stort sett outforskade regimen med hög bärartäthet, vilket är avgörande för optoelektroniska applikationer såväl som för fundamentala fenomen som interlagerexcitonkondensering."
Dr. Aleksey Kozikov tillade:"Det är fascinerande hur att lägga till bara ett atomärt tunt material kan förändra egenskaperna hos en enhet så dramatiskt. Detta är kraften hos van der Waals heterostrukturer i aktion."
