Une équipe de recherche de l'Université technique de Vienne (TU Wien) a développé un nouveau type de LED qui génère de la lumière à partir de la désintégration radiative de complexes d'excitons en couches extrêmement minces.
Les chercheurs ont produit ce qu'ils ont appelé des «complexes d'excitons multiparticules» en appliquant des impulsions électriques à des couches extrêmement minces de matériau à base de tungstène et de sélénium ou de soufre. Ces amas d'excitons sont des états de liaison constitués d'électrons et de «trous» dans le matériau et peuvent être convertis en lumière. Le résultat est une forme innovante de diode électroluminescente dans laquelle la longueur d'onde de la lumière souhaitée peut être contrôlée avec une grande précision. La découverte a été publiée dans la revue «Nature Communications».
(Aday Molina Mendoza, Matthias Paur, Thomas Müller; Image: TU Wien)
Electrons et trous
Dans un matériau semi-conducteur, la charge électrique peut être transportée de deux manières différentes. D'une part, les électrons peuvent se déplacer directement d'un élément à l'autre du matériel, auquel cas ils prennent une charge négative. D'autre part, si un électron manque quelque part dans le semi-conducteur, ce point sera chargé positivement et désigné sous le nom de «trou». Si un électron monte d'un atome voisin et remplit le trou, il laisse à son tour un trou dans sa position précédente. De cette façon, les trous peuvent se déplacer à travers le matériau de la même manière que les électrons, mais dans la direction opposée.
«Dans certaines circonstances, des trous et des électrons peuvent se lier les uns aux autres», a déclaré le professeur Thomas Mueller de la Photonics Institute (Faculté d'ingénierie électrique et des technologies de l'information) de la TU Wien. "Semblable à la façon dont un électron gravite autour du noyau atomique chargé positivement dans un atome d'hydrogène, un électron peut graviter autour du trou chargé positivement dans un objet solide."
Des états de liaison complexes avec des trions, des biexcitons ou des quintons impliquant trois, quatre ou cinq partenaires de liaison sont également possibles. «Par exemple, le biexciton est l’équivalent exciton de la molécule d’hydrogène H2», a expliqué Thomas Mueller.
(Image: TU Wien)
Couches bidimensionnelles
Dans la plupart des solides, de tels états de liaison ne sont possibles qu'à des températures extrêmement basses. Cependant, la situation est différente avec les «matériaux bidimensionnels», constitués uniquement de couches minces comme un atome. L’équipe de la TU Wien, dont les membres comprenaient également Matthias Paur et Aday Molina-Mendoza, a créé une structure sandwich intelligemment conçue dans laquelle une mince couche de tungstène disélénure ou de disulfure de tungstène est enfermée entre deux couches de nitrure de bore. Une charge électrique peut être appliquée à ce système à couche ultra-mince à l'aide d'électrodes en graphène.
«Les excitons ont une énergie de liaison beaucoup plus élevée dans les systèmes en couches bidimensionnels que dans les solides classiques et sont donc considérablement plus stables. Des états de liaison simples composés d'électrons et de trous peuvent être démontrés même à température ambiante. Les grands complexes d'excitons peuvent être détectés à basse température », a déclaré Thomas Mueller. Différents complexes d'excitons peuvent être produits en fonction de la manière dont le système est alimenté en énergie électrique à l'aide d'impulsions de tension courtes. Lorsque ces complexes se désintègrent, ils libèrent de l'énergie sous forme de lumière. C'est ainsi que le système de couches récemment développé fonctionne comme une diode électroluminescente.
«Notre système de couches lumineuses représente non seulement une excellente occasion d'étudier les excitons, mais constitue également une source de lumière innovante», a déclaré Matthias Paur, auteur principal de l'étude. "Nous disposons donc maintenant d'une diode électroluminescente dont la longueur d'onde peut être spécifiquement influencée - et très facilement, simplement en modifiant la forme de l'impulsion électrique appliquée."
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