Un nouveau type de diode électroluminescente a été développé à la TU Wien. La lumière est produite à partir de la désintégration radiative des complexes d'excitons dans des couches d'à peine quelques atomes d'épaisseur.

Lorsque les particules se lient dans l'espace libre, ils créent normalement des atomes ou des molécules. Cependant, des états de liaison beaucoup plus exotiques peuvent être produits à l'intérieur d'objets solides.

Les chercheurs de la TU Wien ont maintenant réussi à l'utiliser :des "complexes d'excitons multiparticulaires" ont été produits 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. Ces résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature .

Électrons et trous

Dans un matériau semi-conducteur, La charge électrique peut être transportée de deux manières différentes. D'un côté, les électrons peuvent se déplacer directement à travers le matériau d'atome en atome, auquel cas ils emportent avec eux une charge négative. D'autre part, si un électron manque quelque part dans le semi-conducteur, ce point sera chargé positivement et appelé "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, les trous et les électrons peuvent se lier les uns aux autres, " explique le professeur Thomas Mueller de l'Institut de photonique (Faculté de génie électrique et de technologie de l'information) de la TU Wien. " De la même manière qu'un électron orbite autour du noyau atomique chargé positivement dans un atome d'hydrogène, un électron peut orbiter autour du trou chargé positivement d'un objet solide."

Des états de liaison encore plus complexes sont possibles :ce qu'on appelle des trions, biexcitons ou quintons qui en impliquent trois, quatre ou cinq partenaires de liaison. "Par exemple, le biexciton est l'équivalent exciton de la molécule d'hydrogène H2, " explique Thomas Mueller.

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 dits « bidimensionnels, " qui se composent uniquement de couches minces atomiques. L'équipe de la TU Wien, dont les membres comprenaient également Matthias Paur et Aday Molina-Mendoza, a créé une structure sandwich astucieusement conçue dans laquelle une fine couche de diséléniure de tungstène ou de disulfure de tungstène est enfermée entre deux couches de nitrure de bore. Une charge électrique peut être appliquée à ce système de 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 conventionnels et sont donc considérablement plus stables. Des états de liaison simples constitués d'électrons et de trous peuvent être démontrés même à température ambiante. Grand, les complexes d'excitons peuvent être détectés à basse température, " rapporte Thomas Mueller. Différents complexes d'excitons peuvent être produits en fonction de la façon 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 nouvellement développé fonctionne comme une diode électroluminescente.

"Notre système de couches lumineuses représente non seulement une excellente opportunité d'étudier les excitons, mais c'est aussi une source lumineuse innovante, " dit Matthias Paur, auteur principal de l'étude. "Nous avons donc maintenant une diode électroluminescente dont la longueur d'onde peut être spécifiquement influencée - et très facilement aussi, simplement en changeant la forme de l'impulsion électrique appliquée."