科学家发现通过拉伸LED器件，可实现接近100％的发光效率

深蓝色的畅想

众所周知，从智能手机屏幕到节能照明，发光二极管 (LED) 从诞生以来已经在很多领域极大改变了世界。虽然目前的LED行业在越来越多的应用领域蓬勃发展，但是一直以来都有一个很难解决的问题，那就是普通LED的发光效率通常会随着亮度的增加而降低。其中，最受影响的一类2D半导体材料——所谓的过渡金属二硫属化物 (TMD) ，对这一类器件来说，这个问题尤其令人烦恼。实际上，这些原子级厚度的TMD材料，在高亮度驱动下发光效率会显著下降，这也直接阻碍了它们在实际应用中的使用。

图1.美国科学家发现，稍微弯曲的原子级厚度LED半导体可以获得接近100%的发光效率，该成果可以很好的规避传统困扰LED的发光效率问题——随亮度增加而下降
根据外媒Osa-opn报道，最近，加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员似乎已经找到了一种非常简单的方法，这些方法可以轻松绕过这些LED的效率障碍（科学，doi：10.1126/science.abi9193）。该团队已经表明，对上述TMD型LED器件施加小于1%的机械应变（拉伸）就可以通过对材料电子能级结构的改变，实现接近100%的发光效率（即光致发光量子产率），即使在高亮度水平下也是如此。根据这一研究成果，该团队认为它可以助力新一代超高光效LED器件的研发，它可以很好地规避传统LED随发光亮度提升而降低发光效率的问题。
激子-激子湮灭
在所有有机和一些无机LED器件中，高亮度下的效率下降问题源于一种称为激子-激子湮灭 (EEA)的现象。据介绍，当电流或激光束等能源激发半导体器件有源层时，它会将带负电的电子从半导体的价带激发到其导带上，而激发后的位置会留下带正电的空穴。在具有特定特性的半导体中，上述过程形成的电子-空穴对会进一步形成一个束缚对，这一束缚对实际上可以认为是一种准粒子——激子(Exiton)。随后，这些激子中的电子和空穴进一步复合并发生辐射——对外产生光子，这一过程就是LED发出可见光的过程。

在低电流驱动下，LED有源区的激子密度很低，这时几乎所有产生的激子都有足够的空间进行辐射复合，这种状态下的TMD LED，其量子产率可以达到近100%。但随着驱动电流的进一步提升——LED 亮度（以及激子密度）的增加，这种LED有源区的激子开始出现无规律碰撞——这一过程并不会有光子产生，激子之间相互抵消会导致一些非辐射型的衰变或EEA，最终激子能量以热量的形式消散。这些过程的结果是：光致发光效率随着亮度的增加而下降，这一现象尤其对一些超薄材料型LED有着至关重要的影响。
这种非辐射型EEA发生的概率，很大程度上取决于半导体能带结构的细节。根据加州大学伯克利分校这个团队的发现，特别是对于TMD型半导体，EEA的数量会因范霍夫奇点（Hove Singularities）而增强——半导体能量结构中的一些微小扭结可以提高此时的状态密度（可用于占据的潜在能量状态的数量）。
拉伸以提高效率
为了解决高激子密度下的EEA问题，顺着上述思路，伯克利的这些研究人员一直致力于通过调整TMD材料的能带结构来改善效率的降低。据介绍，他们发现对这些材料施加一定程度单轴应变（字面意思是稍微拉伸材料）可以很好地解决问题。
在他们的实验中，该团队在一块柔性塑料基板上制作了许多不同材料类型的TMD半导体器件，具体包括单层WS2、WSe2 和 MoS2，另外还分别添加了六方氮化硼层（作为栅极绝缘体）和石墨烯（作为栅极）层。在此基础上，研究人员进一步对这些半导体器件施加偏压，并用激光束激发材料以产生激子。随着激光强度（以及激子密度）的增加，研究人员开始测量材料的光致发光量子产率。
据试验结果，研究小组发现，作为参考，没有拉伸——无应变的TMD，正如预期的那样，其量子产率会随着激子密度的增加而大幅度衰减。然而，稍微拉伸——施加仅0.2%的拉伸应变，原来光效降低的现象就可以得到明显改善。在另一组样品中，拉伸应变达到0.4%时，即使高亮度驱动也没有看到光效的明显下降。此时，无论激子密度如何（非常拥挤），该材料都保持近100%的光致发光量子产率。
完全克服高亮度导致的光效降低问题
该团队的分析表明，拉伸等过程造成的应变对这种原子级半导体器件的量子产率有着深远的的影响，而这一点和半导体能带结构中“鞍点”的存在有关——这一点类似于其能量“景观”中的山口。在未施加拉伸应变的材料中，作为范霍夫奇点区域的鞍点刚好位于激子-激子湮灭的有利能量附近，因此会有大量的电子因为处于该状态而大概率发生EEA现象，显然它有助于加强EEA现象发生的概率。作为对比，施加一定的拉伸应变（稍微弯曲）会重塑材料的能带结构，它可以充分移动这一鞍点的能量位置，让范霍夫奇点不利于EEA的发生。反过来，这就有助于更多激子辐射重组，进而极大提高光致发光的量子产率。
虽然该团队的大部分实验目前还只是针对一些2D材料的机械剥离薄片，但研究人员还是可以证明，这种应变对量产规模下大面积（厘米级）WS2切片量子产率的提升同样有着积极的效果。研究人员认为，这一额外发现可以表明，基于这些理论分析的新一代LED有望在高亮度水平下工作，而不再受效率降低的困扰。
“这些单层半导体材料，”团队负责人Ali Javey在与研究同时发布的新闻稿中说，“对光电应用来说非常有吸引力，因为它们即使在高亮度水平下也能提供非常高的发光效率，甚至在一些存在大量缺陷的晶体器件中。”