World

วัสดุ LED ส่องภายใต้ความเครียด

LED material shines under strain
การใช้ความเครียดทางกลกับเซมิคอนดักเตอร์โมโนเลเยอร์โปร่งใสที่บางและโปร่งแสงทำให้วัสดุมีแสงเกือบ 100% – ประสิทธิภาพการปล่อยมลพิษ เครดิต: Ali Javey/Berkeley Lab

สมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และแอพพลิเคชั่นแสงสว่างต้องอาศัยไดโอดเปล่งแสง (LED) เพื่อส่องสว่าง แต่ยิ่งเทคโนโลยี LED เหล่านี้สว่างขึ้นเท่าไร ก็ยิ่งไม่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น โดยจะปล่อยพลังงานออกมาเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นแสง

ตอนนี้ตามรายงานในวารสาร

วิธีการของพวกเขามุ่งเน้นไปที่การยืดหรือบีบอัดฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์บาง ๆ ในลักษณะที่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ของมันไปในทางที่ดี .

ทีมงานระบุว่าเซมิคอนดักเตอร์เป็นอย่างไร โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์กำหนดปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีพลังภายในวัสดุ อนุภาคเหล่านั้นบางครั้งชนกันและทำลายล้างซึ่งกันและกัน ทำให้สูญเสียพลังงานเป็นความร้อนแทนที่จะเปล่งแสงในกระบวนการ การเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุช่วยลดโอกาสในการทำลายล้างและนำไปสู่การแปลงพลังงานเป็นแสงที่เกือบสมบูรณ์แบบ แม้ในที่ที่มีความสว่างสูง

“การปล่อยความร้อนง่ายกว่าการเปล่งแสงเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ระดับความสว่างสูง ในงานของเรา เราสามารถลดขั้นตอนการสูญเสียได้ร้อยเท่า” Ali Javey นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Berkeley Lab กล่าว และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ที่ UC Berkeley.

ประสิทธิภาพของ LED ขึ้นอยู่กับ excitons

การค้นพบของทีม Berkeley เกิดขึ้นโดยใช้ชั้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งที่มีความหนา 3 อะตอม เรียกว่าไดคัลโคเจไนด์ของโลหะทรานซิชัน ซึ่งอยู่ภายใต้ความเครียดทางกล วัสดุบางเหล่านี้มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งก่อให้เกิดคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และ

Excitons สามารถปลดปล่อยพลังงานโดยการปล่อยแสงหรือความร้อน ประสิทธิภาพที่ exciton ปล่อยแสงออกมาตรงข้ามกับความร้อนเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพสูงสุดของ LED แต่การได้ประสิทธิภาพสูงนั้นต้องใช้เงื่อนไขที่ถูกต้องอย่างแม่นยำ

“เมื่อความเข้มข้นของ exciton ต่ำ เราเคยพบว่า เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการปล่อยแสงที่สมบูรณ์แบบ” Shiekh Zia Uddin นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ UC Berkeley และผู้เขียนร่วมในรายงานกล่าว เขาและเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุชั้นเดียวที่ชาร์จทางเคมีหรือไฟฟ้าสถิตอาจนำไปสู่การแปลงที่มีประสิทธิภาพสูง แต่สำหรับ exciton ที่มีความเข้มข้นต่ำเท่านั้น

สำหรับความเข้มข้นของ exciton ที่สูงซึ่งอุปกรณ์ออปติคัลและอิเล็กทรอนิกส์มักจะทำงาน แม้ว่า exciton จำนวนมากจะทำลายล้างกันและกัน งานใหม่ของทีม Berkeley ชี้ให้เห็นว่าเคล็ดลับในการบรรลุผลการปฏิบัติงานที่มีความเข้มข้นสูงนั้นอยู่ที่การปรับโครงสร้างวงดนตรีของวัสดุ ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมวิธีที่ exciton โต้ตอบกัน และอาจลดความน่าจะเป็นของ


exciton การทำลายล้าง

“เมื่อมีการสร้างอนุภาคที่ตื่นเต้นมากขึ้น เครื่องชั่งจะเอียงเพื่อสร้างความร้อนมากขึ้นแทนที่จะเป็นแสง ในงานของเรา ก่อนอื่นเราเข้าใจว่าความสมดุลนี้ถูกควบคุมโดยโครงสร้างของวงดนตรีอย่างไร” ฮยองจิน คิม นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตและผู้เขียนร่วมในงานนี้กล่าว ความเข้าใจดังกล่าวทำให้พวกเขาเสนอให้ปรับเปลี่ยนโครงสร้างของวงดนตรีในลักษณะควบคุมโดยใช้ความเครียดทางกายภาพ

ประสิทธิภาพสูงภายใต้ความเครียด

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการวางฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์บาง (ทังสเตนซัลไฟด์หรือ WS2) อย่างระมัดระวังบนพื้นผิวพลาสติกที่มีความยืดหยุ่น โดยการดัดพื้นผิวพลาสติก พวกเขาใช้ความเครียดเล็กน้อยกับฟิล์ม ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยได้โฟกัสลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มต่างกันบนฟิล์ม โดยมีลำแสงที่เข้มข้นกว่าซึ่งนำไปสู่ความเข้มข้นของสารกระตุ้นที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นการตั้งค่า “ความสว่าง” สูงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบละเอียดช่วยให้นักวิจัยสามารถสังเกตจำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากวัสดุโดยเป็นส่วนหนึ่งของโฟตอนที่ดูดกลืนจากเลเซอร์ พวกเขาพบว่าวัสดุที่ปล่อยออกมา แสง ที่ประสิทธิภาพเกือบสมบูรณ์แบบที่ระดับความสว่างทุกระดับผ่านความเครียดที่เหมาะสม

เพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมของวัสดุภายใต้ความเครียดเพิ่มเติม ทีมงาน ดำเนินการสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์

พวกเขาพบว่าการชนกันของการสูญเสียความร้อนระหว่าง exciton นั้นได้รับการปรับปรุงเนื่องจาก “จุดอาน”— บริเวณที่พื้นผิวพลังงานโค้งในลักษณะที่คล้ายกับภูเขาผ่านระหว่างยอดทั้งสอง—พบได้ตามธรรมชาติในโครงสร้างแถบเซมิคอนดักเตอร์แบบชั้นเดียว

การใช้ความเครียดทางกลทำให้พลังงานของกระบวนการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย โดยดึงสาร exciton ออกจากจุดอาน ส่งผลให้แนวโน้มที่จะชนกันของอนุภาคลดลง และประสิทธิภาพที่ลดลงที่อนุภาคประจุที่มีความเข้มข้นสูงก็ไม่เป็นปัญหาอีกต่อไป

“วัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบชั้นเดียวเหล่านี้มีความน่าสนใจสำหรับการใช้งานออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากให้ประสิทธิภาพสูงอย่างมีเอกลักษณ์แม้ในระดับความสว่างสูงและแม้ว่าจะมีความไม่สมบูรณ์จำนวนมากในคริสตัลก็ตาม” Javey กล่าว

ผลงานในอนาคตของทีมงาน Berkeley Lab จะเน้นที่การใช้วัสดุในการผลิตอุปกรณ์ LED จริงสำหรับการทดสอบประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของเทคโนโลยีต่อไป ภายใต้ความสว่างที่เพิ่มขึ้น


ข้อมูลมากกว่านี้: Hyungjin Kim et al, ยับยั้งการสลายตัวที่ไม่ผ่านการแผ่รังสีที่ความหนาแน่นของ exciton ทั้งหมดในเซมิคอนดักเตอร์โมโนเลเยอร์ วิทยาศาสตร์ (2021). ดอย: 10.1126/science.abi9193

อ้างอิง: วัสดุ LED ส่องสว่างภายใต้ความเครียด (2021, 27 สิงหาคม) ดึงข้อมูล 27 สิงหาคม 2564 จาก https://phys.org/news/2021-08-material -strain.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

อาหาร

  • เกม
  • การท่องเที่ยว
  • Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *

    Back to top button