अमेरिकी वैज्ञानिकों के एक समूह ने पाया कि एलईडी अर्धचालक जो परमाणु मोटाई के लिए थोड़े मुड़े हुए हैं, 100% के करीब दक्षता के साथ प्रकाश का उत्सर्जन कर सकते हैं और चमक बढ़ने पर दक्षता में गिरावट से बच सकते हैं-जो आमतौर पर इन एल ई डी को पीड़ित करता है।
स्मार्ट फोन स्क्रीन से लेकर कम ऊर्जा वाली रोशनी तक, प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एल ई डी) ने दुनिया को कई बार बदल दिया है। लेकिन एल ई डी की दक्षता कम हो जाती है क्योंकि चमक बढ़ जाती है-एक समस्या जो विशेष रूप से एक नई और रोचक द्वि-आयामी अर्धचालक सामग्री, तथाकथित संक्रमण धातु डाइहाइडिड्स (टीएमडी) के लिए परेशानी होती है। उच्च चमक पर इन परमाणु रूप से पतली सामग्री की महत्वपूर्ण दक्षता गिरावट व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनके आवेदन में बाधा डालती है।
अब, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने दक्षता बाधाओं को दूर करने का एक बहुत ही सरल तरीका खोज लिया है जो इन एल ई डी का सामना करने के लिए प्रवण हैं।
टीम ने साबित कर दिया है कि टीएमडी पर 1% से कम के यांत्रिक तनाव को लागू करने से सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना बदल सकती है, और यहां तक कि उच्च चमक स्तरों पर भी, यह लगभग 100% प्रकाश उत्सर्जन दक्षता (यानी फोटोल्यूमिनेशन क्वांटम उपज) प्राप्त करने के लिए पर्याप्त है। . शोध दल का मानना है कि यह परिणाम नई पीढ़ी के एलईडी उपकरणों को बढ़ी हुई चमक के कारण दक्षता क्षरण से बचने में सक्षम कर सकता है।
सभी कार्बनिक और कुछ अकार्बनिक एल ई डी में, उच्च चमक पर दक्षता में गिरावट एक घटना में निहित है जिसे एक्सिटोन-एक्सिटोन एनीहिलेशन (ईईए) कहा जाता है।
जब एक ऊर्जा स्रोत जैसे कि विद्युत प्रवाह या लेजर बीम अर्धचालक को उत्तेजित करता है, तो यह अर्धचालक के वैलेंस बैंड से ऋणात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में ले जाता है, जिससे सकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रॉन छेद निकल जाता है।
सही गुणों वाले अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े अभी भी तटस्थ अर्ध-कणों के रूप में मौजूद हैं जिन्हें एक्सिटोन कहा जाता है। एक्साइटन में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बाद के विकिरण पुनर्संयोजन के परिणामस्वरूप फोटॉन का उत्सर्जन होता है, जिससे एलईडी से दृश्य प्रकाश उत्सर्जन होता है।
कम एक्साइटन घनत्व पर, लगभग सभी एक्सिटोन में विकिरण पुनर्संयोजन के लिए पर्याप्त जगह होती है, और टीएमडी एलईडी की क्वांटम उपज 100% के करीब होती है। हालाँकि, जैसे-जैसे एलईडी की चमक बढ़ती है और एक्साइटन्स का घनत्व बढ़ता है, एक्साइटन्स एक-दूसरे से टकराने और मिटाने लगते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गैर-विकिरण संबंधी क्षीणन, या ईईए, गर्मी के रूप में नष्ट हो जाता है। परिणाम: जैसे-जैसे चमक बढ़ती है, इस अति पतली सामग्री की फोटोल्यूमिनेशन दक्षता कम हो जाती है।
गैर-विकिरणीय ईईए की संख्या काफी हद तक अर्धचालक ऊर्जा बैंड संरचना के विवरण पर निर्भर करती है। बर्कले शोध दल ने पाया कि, विशेष रूप से टीएमडी अर्धचालकों के लिए, वैन होव विलक्षणता से ईईए की संख्या में वृद्धि हुई है।
वैन होव विलक्षणता एक अर्धचालक की ऊर्जा संरचना में एक मामूली विकृति है, जो उस बिंदु पर राज्यों के घनत्व (संभावित ऊर्जा राज्यों की संख्या पर कब्जा कर सकती है) को बढ़ाती है।
उच्च उत्तेजना घनत्व के तहत ईईए समस्या को हल करने के लिए, बर्कले शोधकर्ताओं ने टीएमडी सामग्री की ऊर्जा बैंड संरचना को समायोजित करने के तरीकों का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि एक अक्षीय तनाव को लागू करना-वस्तुतः सामग्री को थोड़ा खींचना-अच्छी तरह से काम करता है।
अपने प्रयोगों में, टीम ने सिंगल-लेयर WS2, WSe2 और MoS2 सहित कई अलग-अलग TMD स्थापित किए। एक लचीले प्लास्टिक सब्सट्रेट पर, एक हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड परत (एक गेट इन्सुलेटर के रूप में) और एक ग्राफीन परत (एक गेट के रूप में) जोड़ा गया था। इलेक्ट्रोड)। फिर, शोधकर्ताओं ने डिवाइस पर वोल्टेज पूर्वाग्रह लागू किया, उत्तेजना उत्पन्न करने के लिए लेजर बीम के साथ सामग्री को उत्साहित किया, और सामग्री की फोटोल्यूमिनेशन क्वांटम उपज को लेजर तीव्रता (और उत्तेजना घनत्व) के रूप में मापा।
टीम ने पाया कि अप्रशिक्षित टीएमडी के लिए, जैसा कि अपेक्षित था, क्वांटम उपज घट जाती है क्योंकि एक्साइटन घनत्व बढ़ता है। हालांकि, लचीले सब्सट्रेट को थोड़ा मोड़ने और टीएमडी पर 0.2% का तन्यता तनाव लगाने से रोल-ऑफ की मात्रा में उल्लेखनीय कमी आएगी। जब तन्यता तनाव ०.४% होता है, तो उच्च चमक के तहत कोई प्रभावी दक्षता गिरावट नहीं होती है, और सामग्री एक्साइटन घनत्व की परवाह किए बिना लगभग १००% फोटोल्यूमिनेशन क्वांटम उपज को बनाए रख सकती है।
टीम के विश्लेषण से पता चलता है कि क्वांटम उपज पर तनाव का प्रभाव [जीजी] quot;सैडल पॉइंट्स [जीजी] उद्धरण के अस्तित्व से संबंधित है; अर्धचालक ऊर्जा बैंड संरचना में-इसकी ऊर्जा परिदृश्य में पर्वत चैनल के समान। अनियंत्रित सामग्रियों में, सैडल पॉइंट, यानी वैन होव विलक्षणता का क्षेत्र, एक्साइटन-उत्पादक एक्साइटॉन सर्वनाश की अनुकूल ऊर्जा के पास स्थित होता है, जिससे एक्साइटन सर्वनाश का स्तर बढ़ जाता है। सामग्री को थोड़ा मोड़ने से बैंड संरचना को नया आकार मिल सकता है और सैडल बिंदु को पूरी तरह से स्थानांतरित किया जा सकता है ताकि वैन होव विलक्षणता उत्तेजना के विनाश के लिए अनुकूल न हो। यह, बदले में, अधिक उत्तेजना विकिरण पुनर्संयोजन की अनुमति देता है और फोटोल्यूमिनेशन की क्वांटम उपज को बढ़ाता है।
हालांकि अधिकांश टीम के प्रयोगों में विभिन्न द्वि-आयामी सामग्री शीट्स के यांत्रिक छीलने शामिल हैं, शोधकर्ता बड़े क्षेत्र (सेंटीमीटर-स्तर) डब्ल्यूएस 2 शीट्स की क्वांटम उपज पर तनाव के लाभकारी प्रभाव को भी साबित कर सकते हैं। एक विस्तारित रासायनिक वाष्प जमाव प्रक्रिया द्वारा विकसित। शोधकर्ताओं का मानना है कि यह अतिरिक्त खोज नई पीढ़ी के एल ई डी की संभावना की ओर इशारा करती है जो उच्च चमक पर दक्षता हानि क्षीणन से प्रभावित नहीं होते हैं।
