Smartphones, laptops, e as aplicações de iluminação contam com diodos emissores de luz (LEDs) para brilhar. Mas quanto mais brilhantes essas tecnologias LED brilham, quanto mais ineficientes eles se tornam, liberando mais energia como calor em vez de luz.

Agora, conforme relatado no jornal Ciência , uma equipe liderada por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da UC Berkeley demonstrou uma abordagem para atingir quase 100% de eficiência de emissão de luz em todos os níveis de brilho.

Sua abordagem se concentra em esticar ou comprimir um filme semicondutor fino de uma forma que mude favoravelmente sua estrutura eletrônica.

A equipe identificou como a estrutura eletrônica do semicondutor ditava a interação entre as partículas energéticas do material. Essas partículas às vezes colidem e se aniquilam, perder energia na forma de calor em vez de emitir luz no processo. Mudar a estrutura eletrônica do material reduziu a probabilidade de aniquilação e levou a uma conversão quase perfeita de energia em luz, mesmo com alto brilho.

“É sempre mais fácil emitir calor do que luz, particularmente em altos níveis de brilho. Em nosso trabalho, temos sido capazes de reduzir o processo de perda em cem vezes, "disse Ali Javey, um cientista sênior do corpo docente do Berkeley Lab e professor de engenharia elétrica e ciências da computação na UC Berkeley.

O desempenho do LED depende de excitons

A descoberta da equipe de Berkeley foi feita usando um único, Camada de 3 átomos de espessura de um tipo de material semicondutor, chamado de dichalcogeneto de metal de transição, que foi submetido a esforços mecânicos. Esses materiais finos têm uma estrutura cristalina única que dá origem a propriedades eletrônicas e ópticas únicas:quando seus átomos são excitados pela passagem de uma corrente elétrica ou luz brilhante, partículas energéticas chamadas excitons são criadas.

Excitons podem liberar sua energia emitindo luz ou calor. A eficiência com que os excitons emitem luz em oposição ao calor é uma métrica importante que determina o desempenho final dos LEDs. Mas alcançar alto desempenho requer precisamente as condições certas.

"Quando a concentração de exciton é baixa, havíamos descoberto anteriormente como alcançar uma eficiência de emissão de luz perfeita, "disse o Shiekh Zia Uddin, um estudante de graduação da UC Berkeley e co-autor principal do artigo. Ele e seus colegas mostraram que a carga química ou eletrostática de materiais de camada única pode levar a uma conversão de alta eficiência, mas apenas para uma baixa concentração de excitons.

Para a alta concentração de excitons na qual os dispositivos ópticos e eletrônicos normalmente operam, no entanto, muitos excitons se aniquilam. O novo trabalho da equipe de Berkeley sugere que o truque para alcançar alto desempenho para altas concentrações está em ajustar a estrutura da banda do material, uma propriedade eletrônica que controla como os excitons interagem uns com os outros e pode reduzir a probabilidade de aniquilação dos excitons.

"Quando mais partículas excitadas são criadas, a balança tende a criar mais calor em vez de luz. Em nosso trabalho, primeiro entendemos como esse equilíbrio é controlado pela estrutura da banda, "disse Hyungjin Kim, um pós-doutorado e co-autor principal do trabalho. Esse entendimento os levou a propor a modificação da estrutura da banda de forma controlada usando deformação física.

Alto desempenho sob tensão

Os pesquisadores começaram colocando cuidadosamente um semicondutor fino (dissulfeto de tungstênio, ou WS2) filme sobre um substrato de plástico flexível. Dobrando o substrato de plástico, eles aplicaram uma pequena quantidade de tensão no filme. Ao mesmo tempo, os pesquisadores focaram um feixe de laser com diferentes intensidades no filme, com um feixe mais intenso levando a uma concentração mais alta de excitons - uma configuração de alto "brilho" em um dispositivo eletrônico.

Medições detalhadas do microscópio óptico permitiram aos pesquisadores observar o número de fótons emitidos pelo material como uma fração dos fótons que ele absorveu do laser. Eles descobriram que o material emitia luz com eficiência quase perfeita em todos os níveis de brilho por meio de tensão apropriada.

Para entender melhor o comportamento do material sob tensão, a equipe realizou modelagem analítica.

Eles descobriram que as colisões de perda de calor entre os excitons são aumentadas devido aos "pontos de sela" - regiões onde uma superfície de energia se curva de uma forma que se assemelha a uma passagem de montanha entre dois picos - encontrados naturalmente na estrutura de banda do semicondutor de camada única.

Aplicar a tensão mecânica fez com que a energia desse processo mudasse ligeiramente, puxando os excitons para longe dos pontos de sela. Como resultado, a tendência das partículas de colidir foi reduzida, e a redução da eficiência em altas concentrações de partículas carregadas deixou de ser um problema.

"Esses materiais semicondutores de camada única são intrigantes para aplicações optoeletrônicas, pois oferecem alta eficiência, mesmo em altos níveis de brilho e apesar da presença de um grande número de imperfeições em seus cristais, "disse Javey.

O trabalho futuro da equipe do Berkeley Lab se concentrará no uso do material para fabricar dispositivos LED reais para testes adicionais da alta eficiência da tecnologia sob brilho crescente.