Les diodes électroluminescentes (DEL) exigent traditionnellement la perfection atomique pour optimiser l'efficacité. A l'échelle nanométrique, où les structures ne s'étendent que sur des milliardièmes de mètre, les défauts doivent être évités à tout prix, jusqu'à maintenant.

Une équipe de scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) et de l'université Stony Brook a découvert que de subtiles imperfections peuvent augmenter considérablement l'efficacité et le rendement lumineux ultraviolet (UV) de certains matériaux LED.

"Les résultats sont surprenants et complètement contre-intuitifs, " a déclaré Mingzhao Liu, scientifique du Brookhaven Lab, l'auteur principal de l'étude. "Ces défauts presque imperceptibles, qui s'est avéré manquer d'oxygène à la surface des nanofils d'oxyde de zinc, réellement améliorer les performances. Cette révélation peut inspirer de nouvelles conceptions de nanomatériaux bien au-delà des LED qui auraient autrement été rejetées par réflexe. »

Les résultats, publié en ligne le 5 décembre 2017, dans Lettres de physique appliquée , aider à rapprocher ces structures d'oxyde de zinc de leur utilisation comme source UV dans des applications pratiques, y compris les capteurs médicaux, catalyseurs, et même l'éclairage domestique.

"La norme LED actuelle pour la lumière UV est le nitrure de gallium, qui fonctionne à merveille mais est à la fois chère et loin d'être écologique, ", a déclaré le scientifique et co-auteur de l'étude de Brookhaven, Dario Stacchiola. "Cet oxyde de zinc 'imparfait' surmonte ces problèmes."

Les scientifiques ont tiré parti de l'instrumentation et de l'expertise singulières disponibles au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) et à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

« Avoir la capacité d'explorer des matériaux de la synthèse à la caractérisation complexe est un avantage unique de Brookhaven Lab, " dit Stacchiola. " En fait, le casse-tête de l'efficacité d'émission des nanofils d'oxyde de zinc n'a pu être résolu que lorsque de nouveaux instruments ont été mis en ligne à NSLS-II. »

Lumière née sur le bord

Les LED hautes performances exploitent un phénomène appelé photoluminescence proche du bord de bande (NBE) que l'on trouve dans les matériaux semi-conducteurs.

"Lorsque les électrons de la bande de conduction se recombinent avec des trous dans la bande de valence - en traversant le bord de la bande interdite - ils peuvent émettre de la lumière, " dit Liu. " Optimiser cet effet, spécifiquement pour le rayonnement UV, était notre objectif principal."

Les scientifiques ont utilisé une approche basée sur une solution à basse température relativement simple pour faire croître des nanofils composés de cristaux d'oxyde de zinc. Ils ont ensuite appliqué un plasma d'oxygène pour nettoyer les structures finales des nanofils.

"Par chance, au cours d'un essai, nous avons exécuté cette étape de plasma sous une pression beaucoup plus basse que d'habitude - et les résultats ont été fortuits et choquants, " a déclaré Liu. "Ce traitement au plasma à basse pression est le vrai changement ici."

Les émissions inattendues de NBE ont intrigué les scientifiques pendant des années, mais les outils d'enquête ont finalement suffisamment avancé pour faire la lumière sur le mystère.

Lumières vives et nanotechnologie de nouvelle génération

La clé de la percée est venue d'une forte synergie entre deux lignes de lumière à NSLS-II. Les données de la ligne de lumière 8-ID, l'une des sources d'absorption de rayons X les plus intenses au monde, combinées au premier ensemble de résultats d'un nouveau Station d'extrémité de microscopie électronique à photoémission à rayons X (XPEEM) à la pointe de la technologie sur la ligne de lumière 21-ID-2. La station terminale XPEEM est gérée en partenariat entre CFN et NSLS-II.

La ligne de faisceau 8-ID a révélé la quantité d'absorption des rayons X, qui a ensuite été utilisé pour déduire l'état oxydatif des échantillons. Les mesures à la ligne 21-ID-2 ont complété ce travail, bombarder l'échantillon avec des rayons X pour exciter des électrons et émettre des photons en fonction des niveaux de bande de l'échantillon. En analysant cette énergie, les positions des bandes - et leur rôle dans l'émission lumineuse - ont pu être déterminées avec une grande précision.

"Nous avons découvert que les lacunes d'oxygène en surface créent des dipôles qui confinent les porteurs de charge au cœur du nanofil, ", a déclaré le coauteur de l'étude et scientifique de la NSLS-II Klaus Attenkofer. "Ces postes semblent être à l'origine de l'émission de lumière pure et hautement efficace. Et parce que nous savons exactement ce qui distingue cette structure d'oxyde de zinc, nous savons comment construire dessus et explorer des matériaux similaires."

La nouvelle technique de synthèse permet des structures supplémentaires, tels que la haute qualité, couches d'oxyde de titane, ce qui pourrait être idéal pour les photocatalyseurs. Un tel matériau pourrait efficacement agir comme un séparateur d'eau, fournissant de l'hydrogène comme combustible pour une multitude de technologies d'énergie renouvelable. De futures expériences exploreront cette possibilité et observeront même le déroulement des réactions catalytiques en temps réel.

"La forte synergie entre le CFN et le NSLS-II fait de Brookhaven Lab un endroit unique pour faire de la recherche sur les nanomatériaux, " dit Chuck Black, le directeur du CFN. "Travailler en étroite collaboration, les deux installations développent et offrent de nouvelles capacités de recherche au profit des chercheurs du monde entier. Ces outils de pointe sont essentiels pour accélérer la recherche en nanosciences, qui permettront les matériaux avancés de demain.