Lorsque des semi-conducteurs atomiquement minces sont combinés dans un style Lego, ils émettent de la lumière à une tension inférieure conduisant potentiellement à des appareils à faible consommation d'énergie.

Alors que cette recherche est dans son état fondamental, elle est prometteuse pour des applications pratiques en optoélectronique et en télécommunications.

La tension d'une LED est généralement égale ou supérieure à l'énergie de la bande interdite par charge d'électron. Une équipe de chercheurs basée à l'Université de Manchester, Université de Varsovie, le Laboratoire des champs magnétiques élevés de Grenoble et l'Institut national des sciences des matériaux au Japon ont pu démontrer des LED qui s'allument à des tensions beaucoup plus faibles.

L'idée d'empiler des couches de différents matériaux pour faire des hétérostructures remonte aux années 1960, lorsque l'arséniure de gallium semi-conducteur a été étudié pour fabriquer des lasers miniatures, qui sont maintenant largement utilisés.

Aujourd'hui, Les hétérostructures sont courantes et sont très largement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs comme outil pour concevoir et contrôler les propriétés électroniques et optiques des dispositifs.

Plus récemment à l'ère des cristaux bidimensionnels atomiquement minces (2-D), comme le graphène, de nouveaux types d'hétérostructures sont apparus, où des couches atomiquement minces sont maintenues ensemble par des forces de van der Waals relativement faibles.

Les nouvelles structures surnommées « hétérostructures de van der Waals » ouvrent un énorme potentiel pour créer de nombreux matériaux de conception et de nouveaux dispositifs en empilant un nombre quelconque de couches atomiquement minces. Des centaines de combinaisons deviennent possibles autrement inaccessibles dans les matériaux tridimensionnels traditionnels, donnant potentiellement accès à de nouvelles fonctionnalités de dispositifs optoélectroniques inexplorées ou à des propriétés de matériaux inhabituelles.

Il y a beaucoup d'expériences faites par divers groupes de recherche dans le monde, qui se concentrent sur les propriétés d'émission de lumière des dichalcogénures de métaux de transition. Cependant, souvent, ces études sont effectuées uniquement par des moyens optiques. Pour des applications pratiques, l'émission de lumière déclenchée électriquement est plus souhaitable.

« Il est fascinant de constater à quel point l'ajout d'un seul matériau atomiquement mince peut modifier les propriétés d'un appareil de manière aussi spectaculaire. C'est la puissance des hétérostructures de van der Waals en action, " dit le Dr Alexeï Kozikov, Institut national du graphène.

Tel que publié dans Communication Nature , l'équipe dirigée par le Dr Aleksey Kozikov, Le professeur Kostya Novoselov et le professeur Marek Potemski ont pu le faire en utilisant l'électricité. Ils ont lié des électrons et des trous assis dans différents dichalcogénures de métaux de transition, ce qu'on appelle les excitons intercalaires. Les chercheurs ont créé des conditions expérimentales lorsque ces excitons se recombinent de manière non radiative, Effet de tarière. L'énergie libérée est transférée à d'autres porteurs qui peuvent ensuite passer à des états d'énergie plus élevés. Par conséquent, les porteurs de charge dont l'énergie était à l'origine trop faible pour surmonter la bande interdite du matériau peuvent désormais facilement franchir cette barrière de potentiel, se recombinent et émettent de la lumière. Cet effet est appelé conversion ascendante.

Des électrodes de graphène sont utilisées pour injecter électriquement des porteurs de charge à travers du nitrure de bore hexagonal empilé dans une hétérostructure dans du bisulfure de molybdène (MoS 2 ) et le diséléniure de tungstène (WSe 2 ). La modification de la distance entre ces dichalcogénures de métaux de transition en ajoutant du nitrure de bore entre les deux permet de régler les LED d'un fonctionnement normal à un fonctionnement à basse tension et d'observer l'effet de la conversion ascendante.

Du point de vue fondamental, les effets observés marquent une étape importante vers la réalisation de la condensation d'excitons et de la superfluidité des hétérostructures de van der Waals.

Dr Johannes Binder, le premier auteur de l'article, de l'Université de Varsovie a déclaré :« Quand nous avons commencé à mesurer le premier MoS 2 /WSe 2 appareils, nous avons été vraiment surpris d'observer des émissions à des tensions appliquées aussi faibles. Cette émission upconvertie montre de manière impressionnante l'importance des processus Auger pour les excitons intercouches dans les hétérostructures de van der Waals. Nos résultats jettent plus de lumière sur la physique dans le régime à haute densité de porteurs largement inexploré, ce qui est crucial pour les applications optoélectroniques ainsi que pour des phénomènes fondamentaux comme la condensation d'excitons intercouches."

Le Dr Aleksey Kozikov a ajouté :« Il est fascinant de constater à quel point l'ajout d'un seul matériau atomiquement mince peut modifier les propriétés d'un appareil de manière aussi spectaculaire. C'est la puissance des hétérostructures de van der Waals en action. »