Teléfonos inteligentes laptops, y las aplicaciones de iluminación dependen de diodos emisores de luz (LED) para brillar. Pero cuanto más brillan estas tecnologías LED, cuanto más ineficientes se vuelven, liberando más energía en forma de calor en lugar de luz.

Ahora, como se informa en la revista Ciencias , un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley ha demostrado un enfoque para lograr una eficiencia de emisión de luz cercana al 100% en todos los niveles de brillo.

Su enfoque se centra en estirar o comprimir una película semiconductora delgada de una manera que cambie 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 condujo a una conversión casi perfecta de energía en luz. incluso con alto brillo.

"Siempre es más fácil emitir calor que emitir luz, particularmente a altos niveles de brillo. En nuestro trabajo hemos podido reducir cien veces el proceso de pérdida, "dijo Ali Javey, un 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 un solo Capa de 3 átomos de espesor de un tipo de material semiconductor, llamado dicalcogenuro de metal de transición, que fue sometido a tensión mecánica. Estos materiales delgados tienen una estructura cristalina única que da lugar a propiedades ópticas y electrónicas únicas:cuando sus átomos se excitan al pasar una corriente eléctrica o una luz brillante, Se crean partículas energéticas llamadas excitones.

Los excitones pueden liberar su energía emitiendo luz o calor. La eficiencia con la que los excitones emiten luz en comparación con el calor es una métrica importante que determina el rendimiento final de los LED. Pero lograr un alto rendimiento requiere precisamente las condiciones adecuadas.

"Cuando la concentración de excitones es baja, previamente habíamos descubierto cómo lograr una eficiencia de emisión de luz perfecta, "dijo Shiekh Zia Uddin, estudiante de posgrado de UC Berkeley y coautor principal del artículo. Él y sus colegas 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 excitones.

Para la alta concentración de excitones a la que suelen operar los dispositivos ópticos y electrónicos, aunque, demasiados 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 los excitones interactúan entre sí y podría reducir la probabilidad de aniquilación de los excitones.

"Cuando se crean más partículas excitadas, la balanza 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, "dijo Hyungjin Kim, becario postdoctoral y coautor principal del trabajo. Esa comprensión les llevó a proponer modificar la estructura de la banda de forma controlada mediante el esfuerzo físico.

Alto rendimiento bajo tensión

Los investigadores comenzaron colocando cuidadosamente un semiconductor delgado (disulfuro de tungsteno, o WS2) sobre un sustrato de plástico flexible. Doblando el sustrato de plástico, aplicaron una pequeña cantidad de tensión a la película. Al mismo tiempo, los investigadores enfocaron un rayo láser con diferentes intensidades en la película, con un rayo 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. Descubrieron que el material emitía luz con una eficiencia casi perfecta en todos los niveles de brillo a través de la tensión adecuada.

Para comprender mejor el comportamiento del material bajo tensión, el equipo realizó un modelado analítico.

Descubrieron que las colisiones de pérdida de calor entre excitones aumentan debido a los "puntos silla", regiones donde una superficie de energía se curva de una manera que se asemeja a un paso de montaña entre dos picos, que se encuentran naturalmente en la estructura de bandas del semiconductor de una sola capa.

La aplicación de la tensión mecánica hizo que la energía de ese proceso cambiara ligeramente, alejando los excitones de los puntos de silla. Como resultado, se redujo la tendencia de las partículas a colisionar, y la reducción de la eficacia a altas concentraciones de partículas cargadas dejó de ser un problema.

"Estos materiales semiconductores de una sola capa son interesantes para las aplicaciones optoelectrónicas, ya que brindan de manera única una alta eficiencia incluso a altos niveles de brillo y a pesar de la presencia de una gran cantidad de imperfecciones en sus cristales, "dijo Javey.

El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab se centrará en utilizar el material para fabricar dispositivos LED reales para realizar más pruebas de la alta eficiencia de la tecnología con un brillo creciente.