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バークリーチーム、LED材料、歪下で光らせる

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October, 7, 2021, Berkeley--スマートフォン、ラップトップ、照明アプリケーションは、明るく光らせるためにLEDsに依存している。しかし、これらLED技術は、明るくなればなるほど、非効率になり、光の代わりに熱としてより多くのエネルギーを放出する。

ローレンスリバモア国立研究所とUC Berkeleyの研究チームは、全ての輝度レベルでほぼ100%の発光効率を達成するアプローチを実証した。

同アプローチは、電子構造を都合よく変更するような方法で、薄い半導体膜の伸縮させることに注目している。

チームは、材料内のエネルギー粒子のなかで半導体の電子構造がどのように相互作用を決定するかを特定した。それらの粒子は、時には相互に衝突、消滅し、そのプロセスで発光の代わりに熱としてエネルギーを失う。材料の電子構造を変えることで、消滅の可能性を低下させ、高輝度でも、エネルギーの光へのほぼ完璧な変換に導く。

「特に高輝度レベルでは、発光よりも発熱の方が常に簡単である。われわれの研究では、損失プロセスを100倍低下させることができた」とAli Javeyは説明している。同氏は、バークリーラボ、UC Berkeleyの電気・工学・コンピュータサイエンス教授。

LED性能は励起子依存
バークリーチームの発見は、機械的歪にさらされる遷移金属ジカルコゲナイドという半導体材料のシングル、3-原子厚層を使って実施された。これら薄い材料は、独自の電子的、光学的特性を生ずる固有の結晶構造を持っている。通過する電流、照射光のいずれかで原子が励起されると、エキシトン(励起子)と呼ばれるエネルギー粒子が生成される。

エキシトンは、そのエネルギーを発光または熱のいずれかで放出する。エキシトンが、熱に対して光を発する効率は、LEDsの究極性能を決める重要な尺度である。しかしハイパフォーマンス達成は、精密な最適条件を必要とする。

「エキシトン集中度が低い時、われわれは以前に、完全な発光効率達成法を見いだした」とShiekh Zia Uddin、UC Berkeley院生。同氏のチームは、化学的、静電的に帯電した単層材料が高効率変換に帰着することを示したが、これはエキシトンの低集中度でのみである。

光と電子デバイスが一般に動作するときの高いエキシトン集中度には、多すぎるエキシトンは相互に消滅しあう。バークリーチームの新しい研究は、高集中のためのハイパフォーマンスを達成する仕掛けが、材料のバンド構造を微調整し、エキシトンが相互作用する仕方を制御し、エキシトン消滅の可能性を減らす電子的特性を示唆している。

「より多くのエキシトンが作られると、バランスは、光の代わりにより多くの熱の発生に傾斜する。われわれの研究では、バンド構造によってこのバランスがどのように制御されるかをまず理解した」(Hyungjin Kim)。その理解によりチームは、物理的歪を利用する制御方法でバンド構造の改良を提案した。。

歪下のハイパフォーマンス
研究チームは、薄い半導体(二硫化タングステン、WS2)膜を柔軟なプラスチック基板上に置いた。プラスチック基板を曲げることで、チームは、その膜に少量の歪を加えた。同時に、チームは、その膜に様々な強度のレーザビームを集光した、より強いビームは、エキシトンのさらなる高集中度となる。電子デバイスでは高「輝度」設定となる。

詳細な光学顕微鏡計測により、チームは、レーザから吸収したフォトンの一部として、材料が放出するフォトン数を観察することができた。その材料が、適切な歪により、全ての輝度レベルでほぼ完全な効率で光を放出することをチームは確認した。

歪下で材料の挙動をさらに理解するためにチームは、分析的モデリングを実行した。

チームは、エキシトン間の熱損失衝突が、「サドルポイント」により強化されることを確認した。エネルギー面が、2つのピーク間の峠道に似た方法で曲がる領域。単層半導体バンド構造に自然に見つかるポイントである。

機械的歪の適用によりそのプロセスのエネルギーがわずかに変わり、エキシトンをサドルポイントから離す。結果として、粒子の衝突傾向が低下し、荷電粒子の高集中での効率低下が問題ではなくなる。

「これら単層半導体材料は、オプトエレクトロニックアプリケーションには魅力的である。高輝度レベルでも、またその結晶に多数の不完全性があるにもかかわらず、それらは比類なく高効率になるからである」(Javey)。

バークリーチームの今後の研究は、輝度を高め、その技術の高効率のさらなるテストのために実際のLEDデバイスをその材料で作ることに集中する。

(詳細は、https://newscenter.lbl.gov)