Smartphone, computer portatili, e le applicazioni di illuminazione si affidano a diodi a emissione di luce (LED) per brillare. Ma più luminose sono queste tecnologie LED, più diventano inefficienti, rilasciando più energia sotto forma di calore invece che di luce.

Ora, come riportato sulla rivista Scienza , un team guidato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley ha dimostrato un approccio per raggiungere un'efficienza di emissione luminosa vicina al 100% a tutti i livelli di luminosità.

Il loro approccio si concentra sull'allungamento o la compressione di un sottile film semiconduttore in modo da modificarne favorevolmente la struttura elettronica.

Il team ha identificato il modo in cui la struttura elettronica del semiconduttore determinava l'interazione tra le particelle energetiche all'interno del materiale. Quelle particelle a volte si scontrano e si annichilano a vicenda, perdendo energia sotto forma di calore invece di emettere luce nel processo. La modifica della struttura elettronica del materiale ha ridotto la probabilità di annientamento e ha portato a una conversione quasi perfetta dell'energia in luce, anche ad alta luminosità.

"È sempre più facile emettere calore che emettere luce, particolarmente ad alti livelli di luminosità. Nel nostro lavoro siamo riusciti a ridurre di cento volte il processo di perdita, " ha detto Ali Javey, uno scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab e professore di ingegneria elettrica e informatica all'UC Berkeley.

Le prestazioni dei LED dipendono dagli eccitoni

La scoperta del team di Berkeley è stata fatta utilizzando un singolo, strato spesso 3 atomi di un tipo di materiale semiconduttore, chiamato dicalcogenuro di metallo di transizione, che è stato sottoposto a sollecitazioni meccaniche. Questi materiali sottili hanno una struttura cristallina unica che dà origine a proprietà elettroniche e ottiche uniche:quando i loro atomi vengono eccitati passando una corrente elettrica o una luce brillante, vengono create particelle energetiche chiamate eccitoni.

Gli eccitoni possono rilasciare la loro energia emettendo luce o calore. L'efficienza con cui gli eccitoni emettono luce rispetto al calore è un parametro importante che determina le prestazioni massime dei LED. Ma per ottenere prestazioni elevate sono necessarie proprio le condizioni giuste.

"Quando la concentrazione di eccitoni è bassa, avevamo già scoperto come ottenere una perfetta efficienza di emissione luminosa, " disse lo sceicco Zia Uddin, uno studente laureato alla UC Berkeley e co-autore del documento. Lui e i suoi colleghi avevano dimostrato che la carica chimica o elettrostatica di materiali a strato singolo potrebbe portare a una conversione ad alta efficienza, ma solo per una bassa concentrazione di eccitoni.

Per l'elevata concentrazione di eccitoni a cui normalmente operano i dispositivi ottici ed elettronici, anche se, troppi eccitoni si annientano a vicenda. Il nuovo lavoro del team di Berkeley suggerisce che il trucco per ottenere prestazioni elevate per alte concentrazioni consiste nel modificare la struttura della fascia del materiale, una proprietà elettronica che controlla il modo in cui gli eccitoni interagiscono tra loro e potrebbe ridurre la probabilità di annichilazione degli eccitoni.

"Quando vengono create particelle più eccitate, l'equilibrio si inclina verso la creazione di più calore anziché luce. Nel nostro lavoro, abbiamo prima capito come questo equilibrio è controllato dalla struttura a bande, " disse Hyungjin Kim, un borsista post-dottorato e co-autore del lavoro. Questa comprensione li ha portati a proporre di modificare la struttura della banda in modo controllato usando lo sforzo fisico.

Alte prestazioni sotto sforzo

I ricercatori hanno iniziato posizionando con cura un sottile semiconduttore (disolfuro di tungsteno, o WS2) su un substrato di plastica flessibile. Piegando il supporto in plastica, hanno applicato una piccola quantità di tensione al film. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno focalizzato un raggio laser con diverse intensità sulla pellicola, con un raggio più intenso che porta a una maggiore concentrazione di eccitoni, un'impostazione di "luminosità" elevata in un dispositivo elettronico.

Le misurazioni dettagliate al microscopio ottico hanno permesso ai ricercatori di osservare il numero di fotoni emessi dal materiale come frazione dei fotoni che aveva assorbito dal laser. Hanno scoperto che il materiale emetteva luce con un'efficienza quasi perfetta a tutti i livelli di luminosità attraverso una tensione appropriata.

Per comprendere ulteriormente il comportamento del materiale sotto sforzo, il team ha eseguito la modellazione analitica.

Hanno scoperto che le collisioni tra eccitoni che perdono calore sono migliorate a causa dei "punti di sella" - regioni in cui una superficie di energia curva in un modo che ricorda un passo di montagna tra due picchi - che si trovano naturalmente nella struttura a bande del semiconduttore a strato singolo.

L'applicazione della deformazione meccanica ha portato l'energia di quel processo a cambiare leggermente, allontanando gli eccitoni dai punti di sella. Di conseguenza, la tendenza delle particelle a scontrarsi è stata ridotta, e la riduzione dell'efficienza ad alte concentrazioni di particelle cariche ha cessato di essere un problema.

"Questi materiali semiconduttori a strato singolo sono intriganti per le applicazioni optoelettroniche in quanto forniscono un'elevata efficienza anche ad alti livelli di luminosità e nonostante la presenza di un gran numero di imperfezioni nei loro cristalli, " ha detto Giava.

Il lavoro futuro del team di Berkeley Lab si concentrerà sull'utilizzo del materiale per fabbricare dispositivi LED reali per ulteriori test dell'elevata efficienza della tecnologia in condizioni di luminosità crescente.