СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ХУДЕЮТ ДО АТОМНОЙ ТОЛЩИНЫ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ХУДЕЮТ ДО АТОМНОЙ ТОЛЩИНЫ

Сотрудничество исследователей из Великобритании и Японии позволило разработать ультратонкие прозрачные светоизлучающие диоды, собранные из смеси различных материалов атомной толщины. Исследователи уверены, что, помимо значения с точки зрения теории, новый подход к созданию светоизлучающих диодов отличается значительным потенциалом в плане коммерциализации.

С момента получения графена и открытия его исключительных электрических свойств появилось немалое количество других монослойных материалов, свойства которых зачастую значительно отличаются от свойств графена. Так, графен является отличным проводником, нитрид бора – диэлектриком, а монослои дихалькогенидов переходных металлов проявляют полупроводниковые свойства.

Для создания светоизлучающих диодов использовались гетероструктуры, состоящие из слоев атомной толщины. (Рисунок из Nat. Mater., 2015, DOI: 10.1038/nmat4205)

Ранее, за счет комбинации нескольких слоев некоторые исследовательские группы получали простые ван-дер-ваальсовские гетероструктуры, например – туннельные транзисторы. В новой работе Константин Новоселов (Konstantin Novoselov), разделивший в 2010 году Нобелевскую Премию по физике с Андре Геймом, и его коллеги получили светоизлучающие органические диоды с самой сложной на настоящий момент гетероструктурой.

Для реализации нового дизайна исследователи использовали квантовые колодцы – небольшие области полупроводника, помещенного между двумя слоями диэлектрика. В квантовом колодце электроны могут занимать лишь дискретные энергетические уровни, а взаимное расположение этих уровней зависит от глубины колодца. Правильный подбор расположения энергетических уровней приводит к тому, что рекомбинация электрона с дыркой приводит к эмиссии фотона с предопределенной частотой – этот процесс называется электролюминесценцией. На первом этапе своей работы исследователи создали электролюминесцентные квантовые колодцы, вкладывая механически расшелушенные монослои TMDC между слоями нитрида бора и добавляя графен. В результате был создан работающий светоизлучающий диод с линейными размерами около 10 мкм, который сохранял работоспособность, практически не теряя производительность после месяцев периодических испытаний.

Квантовая эффективность таких отдельных колодцев составляла около 1%. Для понижения числа электронов и дырок, теряющихся устройством без рекомбинации, исследователи сконструировали приборы, содержащие по несколько квантовых колодцев, каждый из которых состоял из слоев одинаковых или различных TMDC, расположенных между графеновыми электродами. Такой дизайн позволил увеличить квантовую эффективность устройств до 8.4%, а это значение уже сравнимо с производительностью наиболее перспективных органических светоизлучающих диодов. Исследователи также продемонстрировали гибкость созданных сверхтонких светоизлучающих диодов, закрепив их на полимерной пленке и показав, что устройства можно сгибать и растягивать, при этом они сохраняли свою способность к эмиссии света.

В настоящее время исследователи планируют провести очередную модернизацию разработанных устройств. Новоселов поясняет, что объединение в одном устройстве нескольких квантовых колодцев можно считать только предварительной разминкой для увеличения эффективности, которая, в свою очередь, демонстрирует возможность создания более сложных гетероструктур. В отдаленной перспективе Новоселов планирует создание белых или многоцветных светоизлучающих диодов.

Источник: Nat. Mater., 2015, DOI: 10.1038/nmat4205