Science：所有亮度下100%发光的LED

发光二极管（Light-emitting diodes, LEDs）的应用遍及智能手机屏幕、低能耗照明等各类领域，曾经多次给世界带来革命性的变革。然而LED的一大问题在于，其发光效率往往会随着亮度的增加而降低。这一问题对于一种新型的、有着广泛应用前景的二维半导体材料——即所谓的过渡金属二卤族（transition-metal dichalcogenides, TMDs）来说，尤为让科学家困扰；这种厚度在原子量级的薄层材料在高亮度下低发光效率的问题，阻碍了其在实际场景中的应用。

图1 美国的一组科学家发现，稍微弯曲原子量级厚度的LED半导体，能使其发光效率接近100%，且能解决此类LED“发光效率随亮度增加下降”的问题

如今，加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员找到了一种非常简单的解决办法，有望解决这类LED的发光效率问题（文章见：Science，doi: 10.1126/Science.abi9193)。该团队已经证明，在TMD上施加小于1%的机械应变，就可以改变材料的电子结构，即使在高亮度水平下也足以实现近100%的光发射效率（即光致发光量子产率）。研究小组认为，这一发现将解决新一代LED设备亮度增加的效率折损问题。

激子-激子湮没

在全部的有机LED和部分无机LED中，高亮度发光效率降低的原因是一种被称为激子-激子湮灭（exciton–exciton annihilation, EEA）的现象。当电流、激光束等能量源激发半导体时，半导体价带中带负电荷的电子被踢入导带中，留下带正电荷的电子空穴。通常情况下，电子-空穴对以一种称为激子的中性准粒子的形式存在，随后激子中的电子和空穴的辐射重组导致光子的发射，从而产生LED的可见光。

在低激子密度下，几乎所有激子有足够空间通过辐射复合，TMD LED的量子产率几乎能达到100%。但随着LED亮度的增加，激子密度也随之增加；激子之间开始发生碰撞和湮灭，从而产生非辐射衰减损耗——即EEA。这种情况下能量将以热量的形式消散，造成的结果就是：TMD材料的光致发光效率随着亮度的增加而下降。

非辐射激子-激子湮灭的数量在很大程度上取决于半导体能带结构的细节。伯克利的研究小组发现，对于TMD半导体来说，van Hove奇点的存在增加了EEA的数量。van Hove奇点是半导体能量结构中微小的扭曲，会增加某一点上的态密度（即可占据的能态的数量）。

通过拉伸材料提高效率

为了解决高激子密度下的EEA问题，伯克利的研究人员对如何调整TMD材料能带结构进行了研究，发现这一问题可以通过施加一个单轴应变很好的解决，即稍微对材料进行拉伸。

实验中，该团队首先将包括单层WS2、WSe2和MoS2在内的各种TMD放置在在一块柔性塑料基板上，并加入六方氮化硼层作为栅极绝缘体，使用石墨烯层作为栅极电极。然后，研究人员在该设备上施加电压偏置，用激光束激发材料以产生激子；随后增加激光强度（激子密度），测量材料的光致发光量子产额。

该团队发现，非应变TMD的量子产率随着激子密度的增加而衰减。然而，轻微弯曲柔性衬底，在TMD上施加0.2%的拉伸应变将显著逆转降低趋势。当拉伸应变为0.4%时，高亮度条件下没有观察到明显的效率下降，该材料无论在何种激子密度下都保持了近100%的光致发光量子产率。

避免了效率降低

该团队的分析表明，张力对量子产率的影响与半导体能带结构中“鞍点”的存在有关，即半导体两个能量峰之间的山口区域。在非应变材料中，鞍点即van Hove奇点的区域，位于激子-激子湮灭的能量附近，从而加强了EEA；轻微弯曲材料可以重塑能带结构，将鞍点拉开，使van Hove奇点远离EEA。这将允许更多的激子辐射重组，从而提高光致发光的量子产率。

虽然该团队的大多数测试使用的都是机械剥离的各种二维材料薄片，但研究人员同时也证明，应变对化学气相沉积过程生长的厘米级WS2薄片的量子产率也有正面效果。研究人员认为，这一附加结论表明，新一代高亮度、高效率发光的LED将有望问世。

此项研究的负责人Ali Javey在一份新闻稿中如此说到：“这类单层半导体材料在光电应用方面前景广阔。尽管晶体中存在大量缺陷，但其仍然能在高亮度水平下高效率发光。”