В новых светодиодах свет образуется в результате радиационного распада экситонных комплексов в слоях толщиной всего в несколько атомов. Рассмотрим все по порядку.
Электроны и дырки:
В полупроводниковом материале электрический заряд может переноситься двумя различными способами. С одной стороны, электроны могут перемещаться прямо через материал от атома к атому, и в этом случае они принимают на себя отрицательный заряд. С другой стороны, если электрон исчезает (переходит) где-то в полупроводнике, эта точка будет положительно заряжена и будет называться «дырой». Если электрон движется вверх от соседнего атома и заполняет дыру, он, в свою очередь, оставляет дыру в своем предыдущем положении. Таким образом, дыры могут перемещаться через материал подобно электронам, но в противоположном направлении.
При определенных обстоятельствах дыры и электроны могут связываться друг с другом. 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 связи: так называемые трионы, биэкситоны или квинтоны, в которых участвуют три, четыре или пять связанных элементов.
Экситон:
Образование экситона можно представить следующим образом: при поглощении света электрон с одного энергетического уровня (или зоны) переходит на более высокий, оставляя на исходном уровне (зоне) положительно заряженную дырку, с которой он связан кулоновским притяжением. Экситон и представляет собой связанное состояние электрона и дыры.
Экситон (от латинского excito — возбуждаю) — это квазичастица, соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом электрического заряда и массы.
a)Обычное состояние b) 3-Переход электрона (2) и появление дырки(1).
Двумерные слои:
В большинстве твердых тел такие состояния соединения возможны только при чрезвычайно низких температурах. Однако ситуация обстоит иначе с так называемыми «двумерными материалами», которые состоят только из тонких слоев атомов. Команда из Техническом Университете Вены создала умело спроектированную сэндвич-структуру, в которой тонкий слой диселенида вольфрама или дисульфида вольфрама находится между двумя слоями нитрида бора. Электрический заряд воздействует на эту систему ультратонкого слоя с помощью графеновых электродов.
В таких двумерных слоистых системах экситоны имеют гораздо более высокую энергию связи, чем в обычных твердых телах, и поэтому значительно более стабильны. Простые состояния связи, состоящие из электронов и дыр, могут быть продемонстрированы даже при комнатной температуре. Большие экситонные комплексы могут быть обнаружены при низких температурах.
Различные экситонные комплексы могут быть получены в зависимости от того, как система снабжается электрической энергией с использованием коротких импульсов напряжения. Когда эти комплексы распадаются, они высвобождают энергию в форме света, именно так, недавно разработанная система слоев, работает как светодиод.
Как заявляют сами исследователи и авторы проекта, система световых слоев не только предоставляет отличную возможность для изучения экситонов, но и является инновационным источником света. Теперь есть светодиод, на длину волны которого можно с легкостью воздействовать путем изменения формы приложенного электрического импульса.