Un equipo de investigación liderado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley ha demostrado que la aplicación de tensión mecánica en un semiconductor monocapa atómicamente delgado y transparente resulta en un material con casi el 100% de eficiencia en emisión de luz.
El enfoque de este nuevo desarrollo, publicado recientemente en “Science”, se centra en estirar y comprimir una película semiconductora delgada de una manera que cambia favorablemente su estructura electrónica. El equipo identificó cómo la estructura electrónica del semiconductor dictaba la interacción entre las partículas energéticas dentro del material. Esas partículas a veces chocan y se aniquilan entre sí, perdiendo energía en forma de calor en lugar de emitir luz en el proceso. Cambiar la estructura electrónica del material redujo la probabilidad de aniquilación y llevó a una conversión casi perfecta de energía en luz, incluso a altos niveles de salida de luz.
“Siempre es más fácil emitir calor que emitir luz, particularmente a altos niveles de brillo. En nuestro trabajo hemos sido capaces de reducir el proceso de pérdida en cien veces”, explica Ali Javey, científico senior de la facultad en Berkeley Lab y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en UC Berkeley.
El rendimiento del LED depende de los excitones
El descubrimiento del equipo de Berkeley se realizó utilizando una sola capa de 3 átomos de espesor de un tipo de material semiconductor, llamado dilalcógeno de metal de transición, que fue sometido a tensión mecánica. Estos materiales delgados tienen una estructura cristalina que da lugar a propiedades electrónicas y ópticas únicas: cuando sus átomos se excitan ya sea por pasar una corriente eléctrica o luz brillante, se crean partículas energéticas llamadas excitones.
Los excitones pueden liberar su energía emitiendo luz o calor. La eficiencia con la que estos emiten luz en lugar de calor es una métrica importante que determina el rendimiento final de los LED. Pero lograr un alto rendimiento requiere de tener las condiciones adecuadas.
Cuando la concentración de excitones es baja, los investigadores ya habían encontrado cómo lograr una eficiencia perfecta de emisión de luz. Shiekh Zia Uddin, estudiante de posgrado de UC Berkeley y coautor principal del Paper, y sus colegas ya habían demostrado que la carga química o electrostática de materiales de una sola capa podría conducir a una conversión de alta eficiencia, pero solo para una baja concentración de excitantes.
Sin embargo, en altas concentraciones de excitones, estado en el que que suelen operar los dispositivos, los excitones se aniquilan entre sí. El nuevo trabajo del equipo de Berkeley sugiere que el truco para lograr un alto rendimiento para altas concentraciones radica en ajustar la estructura de la banda del material, una propiedad electrónica que controla cómo interactúan los excitones entre sí y podría reducir la probabilidad de aniquilación del excitón.
“Cuando se crean partículas más excitadas, el equilibrio se inclina hacia la creación de más calor en lugar de luz. En nuestro trabajo, primero entendimos cómo este equilibrio está controlado por la estructura de la banda. Ese entendimiento nos llevó a proponer modificar la estructura de la banda de una manera controlada utilizando la tensión física”, explica Hyungjin Kim, becario postdoctoral y coautor principal del trabajo.
Alto rendimiento bajo tensión
Los investigadores comenzaron colocando cuidadosamente una película delgada de semiconductor (disulfuro de tungsteno o WS2) sobre un sustrato plástico flexible. Al doblar el sustrato plástico, aplicaron una pequeña cantidad de tensión a la película. Al mismo tiempo, los investigadores centraron un rayo láser con diferentes intensidades en la película, con un haz más intenso que conduce a una mayor concentración de excitones, un ajuste de «brillo» alto en un dispositivo electrónico.
Las mediciones detalladas del microscopio óptico permitieron a los investigadores observar el número de fotones emitidos por el material como una fracción de los fotones que había absorbido del láser. Encontraron que el material emitía luz con una eficiencia casi perfecta en todos los niveles de brillo a través de una deformación adecuada.
Para comprender mejor el comportamiento del material bajo tensión, el equipo realizó modelos analíticos. Encontraron que las colisiones que pierden calor entre excitones se potencian debido a los “puntos de silla” (regiones en las que una superficie de energía se curva de forma parecida a un paso de montaña entre dos picos) que se encuentran de forma natural en la estructura de banda del conductor monocapa.
La aplicación de la tensión mecánica llevó a que la energía de ese proceso cambiara ligeramente, alejando los excitones de los puntos de silla. Como resultado, la tendencia de las partículas a chocar se redujo, y la reducción de la eficiencia a altas concentraciones de partículas cargadas dejó de ser un problema.
“Estos materiales semiconductores de una sola capa son realmente interesante para aplicaciones optoelectrónicas, ya que proporcionan de forma única una alta eficiencia incluso a niveles altos de salida de luz y a pesar de la presencia de un número de imperfecciones en sus cristales”, afirma Javey.
El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab se centrará en el uso del material para fabricar dispositivos LED reales para pruebas adicionales de la alta eficiencia de la tecnología bajo un brillo creciente.
Créditos de imagen: Ali Javey/Berkeley Lab
