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| La aplicación de una tensión mecánica a este semiconductor monocapa atómicamente fino y transparente da lugar a un material con una eficiencia de emisión de luz cercana al 100%. (Crédito: Ali Javey/Berkeley Lab) |
Los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles y las aplicaciones de iluminación dependen de los diodos emisores de luz (LED) para brillar. Pero cuanto más brillan estas tecnologías LED, más ineficientes se vuelven, liberando más energía en forma de calor en lugar de luz.
Ahora, según publica la revista Science, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y de la Universidad de California en Berkeley ha demostrado un método para lograr una eficiencia de emisión de luz cercana al 100% en todos los niveles de brillo.
Su método se centra en estirar o comprimir una fina película semiconductora de forma que cambie favorablemente su estructura electrónica.
El equipo identificó cómo la estructura electrónica del semiconductor dictaba la interacción entre las partículas energéticas del material. Estas partículas a veces colisionan y se aniquilan entre sí, perdiendo energía en forma de calor en lugar de emitir luz en el proceso. Al cambiar la estructura electrónica del material se redujo la probabilidad de aniquilación y se consiguió una conversión casi perfecta de la energía en luz, incluso con un brillo elevado.
"Siempre es más fácil emitir calor que emitir luz, sobre todo a altos niveles de brillo. En nuestro trabajo hemos conseguido reducir el proceso de pérdida en cien veces", dijo Ali Javey, científico principal del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la UC Berkeley.
El rendimiento de los LED depende de los excitones
El descubrimiento del equipo de Berkeley se realizó utilizando una única capa de 3 átomos de espesor de un tipo de material semiconductor, denominado dicalcogenuro de metales de transición, que se sometió a una tensión mecánica. Estos materiales finos tienen una estructura cristalina única que da lugar a propiedades electrónicas y ópticas únicas: Cuando sus átomos se excitan, ya sea mediante el paso de una corriente eléctrica o la emisión de luz, se crean unas partículas energéticas llamadas excitones.
Los excitones pueden liberar su energía emitiendo luz o calor. La eficiencia con la que los excitones emiten luz en lugar de calor es una métrica importante que determina el rendimiento final de los LED. Pero para lograr un alto rendimiento se necesitan precisamente las condiciones adecuadas.
"Cuando la concentración de excitones es baja, ya habíamos descubierto cómo conseguir una eficiencia de emisión de luz perfecta", explica Shiekh Zia Uddin, estudiante de posgrado de la UC Berkeley y coautor del artículo. Él y sus colegas habían demostrado que la carga química o electrostática de materiales de una sola capa podía conducir a una conversión de alta eficiencia, pero sólo para una baja concentración de excitones.
Sin embargo, para la alta concentración de excitones a la que suelen funcionar los dispositivos ópticos y electrónicos, demasiados excitones se aniquilan entre sí. El nuevo trabajo del equipo de Berkeley sugiere que el truco para conseguir un alto rendimiento para concentraciones elevadas reside en ajustar la estructura de banda del material, una propiedad electrónica que controla cómo interactúan los excitones entre sí y que podría reducir la probabilidad de aniquilación de los mismos.
"Cuando se crean más partículas excitadas, la balanza se inclina hacia la creación de más calor en lugar de luz. En nuestro trabajo, primero entendimos cómo este equilibrio está controlado por la estructura de banda", dijo Hyungjin Kim, becario postdoctoral y coautor del trabajo. Este conocimiento les llevó a proponer la modificación de la estructura de banda de forma controlada mediante el uso de la tensión física.
Alto rendimiento bajo tensión
Los investigadores empezaron colocando cuidadosamente una fina película semiconductora (disulfuro de tungsteno o WS2) sobre un sustrato de plástico flexible. Al doblar el sustrato de plástico, aplicaron una pequeña cantidad de tensión a la película. Al mismo tiempo, los investigadores enfocaron un rayo láser con diferentes intensidades sobre la película, con un rayo más intenso que conducía a una mayor concentración de excitones, una configuración de alto "brillo" en un dispositivo electrónico.
Las mediciones detalladas con el microscopio óptico permitieron a los investigadores observar el número de fotones emitidos por el material como fracción de los fotones que había absorbido del láser. Comprobaron que el material emitía luz con una eficacia casi perfecta en todos los niveles de brillo mediante una tensión adecuada.
Para comprender mejor el comportamiento del material bajo tensión, el equipo realizó una modelización analítica.
Descubrieron que las colisiones entre excitones que pierden calor aumentan debido a los "puntos de silla" -regiones en las que una superficie de energía se curva de forma parecida a un puerto de montaña entre dos picos- que se encuentran de forma natural en la estructura de banda del semiconductor de una sola capa.
La aplicación de la tensión mecánica hizo que la energía de ese proceso cambiara ligeramente, alejando a los excitones de los puntos de la silla de montar. Como resultado, se redujo la tendencia de las partículas a colisionar, y la reducción de la eficiencia a altas concentraciones de partículas cargadas dejó de ser un problema.
"Estos materiales semiconductores de una sola capa resultan interesantes para las aplicaciones optoelectrónicas, ya que ofrecen una eficiencia única incluso con niveles de brillo elevados y a pesar de la presencia de un gran número de imperfecciones en sus cristales", afirma Javey.
Los futuros trabajos del equipo del Laboratorio de Berkeley se centrarán en utilizar el material para fabricar dispositivos LED reales con el fin de seguir probando la alta eficiencia de la tecnología en condiciones de brillo creciente.
Fuentes, créditos y referencias:
Hyungjin Kim et al, Inhibited nonradiative decay at all exciton densities in monolayer semiconductors, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi9193