Полупроводниковые материалы, способные излучать свет, используются в таких различных секторах, как телекоммуникации, светоизлучающие устройства (светодиоды) и медицинская диагностика. Излучение света происходит, когда электрон прыгает внутри полупроводника с более высокого уровня энергии на более низкий уровень. Разница в энергии определяет цвет излучаемого света. Для получения света скорость электрона до и после скачка должна быть одинаковой, условие, которое зависит от конкретного рассматриваемого полупроводникового материала.
Для излучения света можно использовать только некоторые полупроводники: например, кремний, который используется для изготовления наших компьютеров, не может использоваться для производства светодиодов.
«Мы спросили себя, можно ли использовать двумерные материалы для создания структур, излучающих свет желаемого цвета», – объясняет Альберто Морпурго, профессор кафедры квантовой физики материи факультета естественных наук UNIGE. Двумерные материалы – это идеальные кристаллы, которые, как и графен, имеют толщину в один или несколько атомов. Благодаря последним техническим достижениям, различные двухмерные материалы можно укладывать друг на друга для образования искусственных структур, которые ведут себя как полупроводники.
Преимущество этих «искусственных полупроводников» заключается в том, что уровни энергии можно контролировать, выбирая химический состав и толщину материалов, из которых состоит структура.
«Искусственные полупроводники такого типа были впервые созданы всего два или три года назад», – объясняет Николя Убриг, исследователь в группе под руководством профессора Морпурго. «Когда двухмерные материалы имеют точно такую же структуру и их кристаллы идеально выровнены, этот тип искусственного полупроводника может излучать свет.
Но это очень редко."Эти условия настолько строги, что оставляют мало свободы для контроля излучаемого света.
Пользовательский свет
«Нашей целью было объединить различные двухмерные материалы, чтобы излучать свет, при этом не ограничиваясь никакими ограничениями», – продолжает профессор Морпурго. Физики думали, что, если бы они могли найти класс материалов, в которых скорость электронов до и после изменения уровня энергии была равна нулю, это был бы идеальный сценарий, который всегда отвечал бы условиям излучения света, независимо от деталей. кристаллических решеток и их взаимной ориентации.
Большое количество известных двумерных полупроводников имеет нулевую скорость электронов на соответствующих уровнях энергии.
Благодаря такому разнообразию соединений можно комбинировать множество различных материалов, и каждая комбинация представляет собой новый искусственный полупроводник, излучающий свет определенного цвета. «Как только у нас появилась идея, было легко найти материалы для ее реализации», – добавляет профессор Владимир Фалько из Манчестерского университета. Материалы, которые использовались в исследовании, включали различные дихалькогениды переходных металлов (такие как MoS2, MoSe2 и WS2) и InSe. Были определены другие возможные материалы, которые будут полезны для расширения диапазона цветов света, излучаемого этими новыми искусственными полупроводниками.
Индивидуальный свет для массовой индустриализации
«Огромное преимущество этих 2D-материалов, благодаря тому, что больше нет предпосылок для излучения света, заключается в том, что они предоставляют новые стратегии для управления светом, как мы считаем нужным, с энергией и цветом, которые мы хотим иметь. , – продолжает Убриг. Это означает, что можно разрабатывать будущие приложения на промышленном уровне, поскольку излучаемый свет устойчив и больше не нужно беспокоиться о выравнивании атомов.
Сотрудничество UNIGE и Манчестерского университета проходило в рамках флагманского проекта EU Graphene Flagship.