Исследователям из TU Wien теперь удалось это использовать: так называемые «многочастичные экситонные комплексы» были получены путем приложения электрических импульсов к чрезвычайно тонким слоям материала, сделанного из вольфрама, селена или серы. Эти экситонные кластеры представляют собой связывающие состояния, состоящие из электронов и «дырок» в материале, и могут быть преобразованы в световые.
Результатом является инновационная форма светодиода, в котором длину волны желаемого света можно регулировать с высокой точностью. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Электроны и дырки
В полупроводниковом материале электрический заряд может переноситься двумя разными способами. С одной стороны, электроны могут двигаться прямо через материал от атома к атому, и в этом случае они забирают с собой отрицательный заряд. С другой стороны, если где-то в полупроводнике отсутствует электрон, эта точка будет заряжена положительно и будет называться «дыркой»."Если электрон движется вверх от соседнего атома и заполняет дыру, он, в свою очередь, оставляет дыру в своем предыдущем положении.
Таким образом, дырки могут двигаться сквозь материал аналогично электронам, но в противоположном направлении.
«При определенных обстоятельствах дырки и электроны могут связываться друг с другом», – говорит профессор. Томас Мюллер из Института фотоники (факультет электротехники и информационных технологий) Венского технического университета. «Подобно тому, как электрон вращается вокруг положительно заряженного атомного ядра в атоме водорода, электрон может вращаться вокруг положительно заряженной дыры в твердом объекте."
Возможны даже более сложные состояния связывания: так называемые трионы, биэкситоны или квинтоны, в которых участвуют три, четыре или пять партнеров связывания. «Например, биэкситон – это экситонный эквивалент молекулы водорода H2», – объясняет Томас Мюллер.
Двумерные слои
В большинстве твердых тел такие состояния связи возможны только при очень низких температурах. Однако ситуация иная с так называемыми «двумерными материалами», которые состоят только из слоев толщиной до атома. Команда TU Wien, в состав которой также входили Маттиас Паур и Адай Молина-Мендоса, создала тщательно продуманную сэндвич-структуру, в которой тонкий слой диселенида вольфрама или дисульфида вольфрама заключен между двумя слоями нитрида бора. Электрический заряд может быть приложен к этой системе ультратонких слоев с помощью графеновых электродов.
«Экситоны имеют гораздо более высокую энергию связи в двумерных слоистых системах, чем в обычных твердых телах, и поэтому они значительно более стабильны. Простые связующие состояния, состоящие из электронов и дырок, могут быть продемонстрированы даже при комнатной температуре. «Большие экситонные комплексы могут быть обнаружены при низких температурах», – сообщает Томас Мюллер. В зависимости от того, как система снабжается электроэнергией, могут образовываться различные комплексы экситонов с использованием коротких импульсов напряжения.
Когда эти комплексы распадаются, они выделяют энергию в виде света, поэтому недавно разработанная система слоев работает как светоизлучающий диод.
«Наша система светящихся слоев не только представляет собой прекрасную возможность для изучения экситонов, но также является инновационным источником света», – говорит Маттиас Паур, ведущий автор исследования. "Таким образом, теперь у нас есть светоизлучающий диод, на длину волны которого можно специально влиять, причем очень легко, просто изменяя форму подаваемого электрического импульса."