Quando i semiconduttori atomicamente sottili vengono combinati insieme in stile Lego, emettono luce a una tensione più bassa che potrebbe portare a dispositivi a basso consumo energetico.
Sebbene questa ricerca sia nel suo stato fondamentale, questa mostra una promessa per applicazioni pratiche nell'optoelettronica e nelle telecomunicazioni.
La tensione di un LED è solitamente uguale o maggiore dell'energia bandgap per carica di elettroni. Un team di ricercatori con sede presso l'Università di Manchester, Università di Varsavia, l'High Magnetic Field Laboratory di Grenoble e l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone sono stati in grado di dimostrare i LED che si accendono a tensioni molto più basse.
L'idea di impilare strati di materiali diversi per realizzare le cosiddette eterostrutture risale agli anni '60, quando l'arseniuro di gallio semiconduttore è stato studiato per realizzare laser in miniatura, che ora sono ampiamente utilizzati.
Oggi, le eterostrutture sono comuni e sono ampiamente utilizzate nell'industria dei semiconduttori come strumento per progettare e controllare le proprietà elettroniche e ottiche dei dispositivi.
Più recentemente, nell'era dei cristalli bidimensionali (2-D) atomicamente sottili, come il grafene, sono emersi nuovi tipi di eterostrutture, dove strati atomicamente sottili sono tenuti insieme da forze di van der Waals relativamente deboli.
Le nuove strutture soprannominate "eterostrutture di van der Waals" aprono un enorme potenziale per creare numerosi materiali di design e nuovi dispositivi impilando insieme un numero qualsiasi di strati atomicamente sottili. Centinaia di combinazioni diventano possibili altrimenti inaccessibili nei tradizionali materiali tridimensionali, potenzialmente dando accesso a nuove funzionalità inesplorate del dispositivo optoelettronico o proprietà insolite dei materiali.
Ci sono molti esperimenti fatti da vari gruppi di ricerca nel mondo, che si concentrano sulle proprietà di emissione di luce dei dicalcogenuri di metalli di transizione. Però, spesso questi studi sono fatti puramente con mezzi ottici. Per applicazioni pratiche, l'emissione di luce attivata elettricamente è più desiderabile.
"È affascinante come l'aggiunta di un solo materiale atomicamente sottile possa cambiare le proprietà di un dispositivo in modo così drammatico. Questo è il potere delle eterostrutture di van der Waals in azione, " dice il dottor Aleksey Kozikov, Istituto nazionale del grafene.
Come pubblicato in Comunicazioni sulla natura , il team guidato dal Dr. Aleksey Kozikov, Il professor Kostya Novoselov e il professor Marek Potemski sono stati in grado di farlo utilizzando l'elettricità. Legano elettroni e lacune che si trovano in diversi dicalcogenuri di metalli di transizione, cosiddetti eccitoni intercalari. I ricercatori hanno creato condizioni sperimentali quando questi eccitoni si ricombinano in modo non radiativo, Effetto coclea. L'energia rilasciata viene trasferita ad altri vettori che possono quindi passare a stati energetici più elevati. Di conseguenza, i portatori di carica la cui energia era originariamente troppo bassa per superare il bandgap del materiale possono ora attraversare facilmente questa potenziale barriera, ricombinare ed emettere luce. Questo effetto è chiamato upconversion.
Gli elettrodi di grafene vengono utilizzati per iniettare elettricamente portatori di carica attraverso nitruro di boro esagonale impilato in un'eterostruttura in bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) e diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ). La modifica della distanza tra questi dichalcogenuri di metalli di transizione aggiungendo nitruro di boro nel mezzo consente di regolare i LED da un funzionamento normale a un funzionamento a bassa tensione e di osservare l'effetto della conversione.
Dal punto di vista fondamentale gli effetti osservati segnano un passo importante verso la realizzazione della condensazione degli eccitoni e della superfluidità delle eterostrutture di van der Waals.
Dott. Johannes Binder, il primo autore del saggio, dell'Università di Varsavia ha dichiarato:"Quando abbiamo iniziato a misurare il primo MoS 2 /WSe 2 dispositivi siamo rimasti davvero sorpresi di osservare l'emissione a tensioni applicate così basse. Questa emissione convertita mostra in modo impressionante l'importanza dei processi Auger per gli eccitoni interstrato nelle eterostrutture di van der Waals. I nostri risultati gettano più luce sulla fisica nel regime in gran parte inesplorato ad alta densità di portatori, che è cruciale per le applicazioni optoelettroniche e per fenomeni fondamentali come la condensazione degli eccitoni tra gli strati".
Il Dr. Aleksey Kozikov ha aggiunto:"È affascinante come l'aggiunta di un solo materiale atomicamente sottile possa cambiare le proprietà di un dispositivo in modo così drammatico. Questa è la potenza delle eterostrutture di van der Waals in azione".
