Alla TU Wien è stato sviluppato un nuovo tipo di diodo emettitore di luce. La luce è prodotta dal decadimento radiativo dei complessi eccitonici in strati dello spessore di pochi atomi.

Quando le particelle si legano nello spazio libero, normalmente creano atomi o molecole. Però, stati di legame molto più esotici possono essere prodotti all'interno di oggetti solidi.

I ricercatori della TU Wien sono ora riusciti a sfruttarlo:i cosiddetti "complessi eccitonici multiparticelle" sono stati prodotti applicando impulsi elettrici a strati estremamente sottili di materiale composto da tungsteno e selenio o zolfo. Questi gruppi di eccitoni sono stati di legame costituiti da elettroni e "buchi" nel materiale e possono essere convertiti in luce. Il risultato è una forma innovativa di diodo emettitore di luce in cui la lunghezza d'onda della luce desiderata può essere controllata con elevata precisione. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Elettroni e buche

In un materiale semiconduttore, la carica elettrica può essere trasportata in due modi diversi. Da una parte, gli elettroni possono spostarsi direttamente attraverso il materiale da un atomo all'altro, nel qual caso prendono con sé una carica negativa. D'altra parte, se manca un elettrone da qualche parte nel semiconduttore, quel punto sarà caricato positivamente e indicato come "buco". Se un elettrone si sposta da un atomo vicino e riempie il buco, a sua volta lascia un buco nella sua posizione precedente. Quel modo, i fori possono muoversi attraverso il materiale in modo simile agli elettroni ma nella direzione opposta.

"In determinate circostanze, le lacune e gli elettroni possono legarsi tra loro, " afferma il prof. Thomas Mueller dell'Istituto di fotonica (Facoltà di ingegneria elettrica e tecnologia dell'informazione) presso TU Wien. "Simile a come un elettrone orbita attorno al nucleo atomico caricato positivamente in un atomo di idrogeno, un elettrone può orbitare attorno al buco caricato positivamente in un oggetto solido."

Sono possibili stati di legame anche più complessi:i cosiddetti trioni, bieccitoni o quintoni che coinvolgono tre, quattro o cinque partner di legame. "Per esempio, il bieccitone è l'equivalente eccitone della molecola di idrogeno H2, " spiega Thomas Mueller.

Strati bidimensionali

Nella maggior parte dei solidi, tali stati di legame sono possibili solo a temperature estremamente basse. Diverso è invece il discorso con i cosiddetti "materiali bidimensionali, " che consistono solo di strati sottili come un atomo. Il team di TU Wien, i cui membri includevano anche Matthias Paur e Aday Molina-Mendoza, ha creato una struttura a sandwich abilmente progettata in cui un sottile strato di diseleniuro di tungsteno o disolfuro di tungsteno è bloccato tra due strati di nitruro di boro. Una carica elettrica può essere applicata a questo sistema di strati ultrasottili con l'aiuto di elettrodi di grafene.

"Gli eccitoni hanno un'energia di legame molto più elevata nei sistemi a strati bidimensionali rispetto ai solidi convenzionali e sono quindi considerevolmente più stabili. Gli stati di legame semplici costituiti da elettroni e lacune possono essere dimostrati anche a temperatura ambiente. Grandi, i complessi eccitonici possono essere rilevati a basse temperature, " riferisce Thomas Mueller. Diversi complessi di eccitoni possono essere prodotti a seconda di come il sistema viene alimentato con energia elettrica usando impulsi di breve tensione. Quando questi complessi decadono, rilasciano energia sotto forma di luce, ed è così che il sistema a strati di nuova concezione funziona come diodo a emissione di luce.

"Il nostro sistema di strati luminosi non rappresenta solo una grande opportunità per studiare gli eccitoni, ma è anche una fonte di luce innovativa, "dice Mattia Paur, autore principale dello studio. "Pertanto ora abbiamo un diodo emettitore di luce la cui lunghezza d'onda può essere specificamente influenzata - e anche molto facilmente, semplicemente cambiando la forma dell'impulso elettrico applicato."