Téléphones intelligents, ordinateurs portables, et les applications d'éclairage reposent sur des diodes électroluminescentes (DEL) pour briller. Mais plus ces technologies LED brillent, plus ils deviennent inefficaces, libérant plus d'énergie sous forme de chaleur au lieu de lumière.

Maintenant, comme indiqué dans le journal Science , une équipe dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley a démontré une approche permettant d'atteindre une efficacité d'émission lumineuse proche de 100 % à tous les niveaux de luminosité.

Leur approche se concentre sur l'étirement ou la compression d'un film semi-conducteur mince d'une manière qui modifie favorablement sa structure électronique.

L'équipe a identifié à quel point la structure électronique du semi-conducteur dictait l'interaction entre les particules énergétiques du matériau. Ces particules entrent parfois en collision et s'annihilent, perdre de l'énergie sous forme de chaleur au lieu d'émettre de la lumière dans le processus. La modification de la structure électronique du matériau a réduit la probabilité d'annihilation et a conduit à une conversion presque parfaite de l'énergie en lumière, même à haute luminosité.

"Il est toujours plus facile d'émettre de la chaleur que d'émettre de la lumière, en particulier à des niveaux de luminosité élevés. Dans notre travail, nous avons pu réduire le processus de perte par cent, " a déclaré Ali Javey, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley.

Les performances des LED dépendent des excitons

La découverte de l'équipe de Berkeley a été faite en utilisant un seul, couche de 3 atomes d'épaisseur d'un type de matériau semi-conducteur, appelé dichalcogénure de métal de transition, qui a été soumis à des contraintes mécaniques. Ces matériaux minces ont une structure cristalline unique qui donne lieu à des propriétés électroniques et optiques uniques :lorsque leurs atomes sont excités soit par le passage d'un courant électrique, soit par une lumière brillante, des particules énergétiques appelées excitons sont créées.

Les excitons peuvent libérer leur énergie en émettant de la lumière ou de la chaleur. L'efficacité avec laquelle les excitons émettent de la lumière par opposition à la chaleur est une mesure importante qui détermine les performances ultimes des LED. Mais atteindre des performances élevées nécessite précisément les bonnes conditions.

"Lorsque la concentration en excitons est faible, nous avions précédemment trouvé comment obtenir une efficacité d'émission lumineuse parfaite, " a déclaré Shiekh Zia Uddin, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley et co-auteur principal de l'article. Lui et ses collègues avaient montré que des matériaux monocouches chargés chimiquement ou électrostatiquement pouvaient conduire à une conversion à haute efficacité, mais seulement pour une faible concentration d'excitons.

Pour la concentration élevée d'excitons à laquelle les dispositifs optiques et électroniques fonctionnent généralement, bien que, trop d'excitons s'annihilent mutuellement. Les nouveaux travaux de l'équipe de Berkeley suggèrent que l'astuce pour obtenir des performances élevées pour des concentrations élevées réside dans l'ajustement de la structure de bande du matériau, une propriété électronique qui contrôle la façon dont les excitons interagissent les uns avec les autres et pourrait réduire la probabilité d'annihilation des excitons.

"Lorsque plus de particules excitées sont créées, la balance penche vers la création de plus de chaleur au lieu de lumière. Dans notre travail, nous avons d'abord compris comment cet équilibre est contrôlé par la structure des bandes, " dit Hyungjin Kim, un boursier postdoctoral et co-auteur principal sur le travail. Cette compréhension les a amenés à proposer de modifier la structure de la bande de manière contrôlée en utilisant la contrainte physique.

Haute performance sous contrainte

Les chercheurs ont commencé par placer soigneusement un fin semi-conducteur (disulfure de tungstène, ou WS2) sur un substrat en plastique souple. En pliant le substrat en plastique, ils ont appliqué une petite quantité de contrainte au film. À la fois, les chercheurs ont focalisé un faisceau laser de différentes intensités sur le film, avec un faisceau plus intense conduisant à une concentration plus élevée d'excitons - un réglage de "luminosité" élevé dans un appareil électronique.

Des mesures détaillées au microscope optique ont permis aux chercheurs d'observer le nombre de photons émis par le matériau en tant que fraction des photons qu'il avait absorbés par le laser. Ils ont découvert que le matériau émettait de la lumière avec une efficacité presque parfaite à tous les niveaux de luminosité grâce à une contrainte appropriée.

Pour mieux comprendre le comportement du matériau sous contrainte, l'équipe a réalisé une modélisation analytique.

Ils ont découvert que les collisions de perte de chaleur entre les excitons sont améliorées en raison des « points de selle » – des régions où une surface d'énergie se courbe d'une manière qui ressemble à un col de montagne entre deux sommets – que l'on trouve naturellement dans la structure de bande du semi-conducteur monocouche.

L'application de la contrainte mécanique a conduit l'énergie de ce processus à changer légèrement, éloigner les excitons des points de selle. Par conséquent, la tendance des particules à entrer en collision a été réduite, et la réduction de l'efficacité à des concentrations élevées de particules chargées a cessé d'être un problème.

"Ces matériaux semi-conducteurs monocouches sont intrigants pour les applications optoélectroniques car ils offrent une efficacité unique, même à des niveaux de luminosité élevés et malgré la présence d'un grand nombre d'imperfections dans leurs cristaux, " dit Javey.

Les travaux futurs de l'équipe du Berkeley Lab se concentreront sur l'utilisation du matériau pour fabriquer de véritables dispositifs LED afin de tester davantage la haute efficacité de la technologie sous une luminosité croissante.