У нових світлодіодах світло утворюється в результаті радіаційного розпаду екситонних комплексів у шарах товщиною всього кілька атомів. Розглянемо все по черзі.
Електрони та дірки:
У напівпровідниковому матеріалі електричний заряд може переноситись двома різними способами. З одного боку, електрони можуть переміщатися прямо через матеріал від атома до атома, і в цьому випадку вони беруть на себе негативний заряд. З іншого боку, якщо електрон зникає (переходить) десь у напівпровіднику, ця точка буде позитивно заряджена і називатиметься «діркою». Якщо електрон рухається вгору від сусіднього атома і заповнює дірку, він, у свою чергу, залишає дірку у своєму попередньому положенні. Таким чином, дірки можуть переміщатися через матеріал подібно до електронів, але в протилежному напрямку.
Можливі навіть складніші стани зв’язку: звані тріони, біексітони чи квінтони, у яких беруть участь три, чотири чи п’ять пов’язаних елементів.
Ексітон:
Утворення ексітону можна уявити так: при поглинанні світла електрон з одного енергетичного рівня (або зони) переходить на більш високий, залишаючи на вихідному рівні (зоні) позитивно заряджену дірку, з якою він пов’язаний кулонівським тяжінням. Ексітон і є пов’язаним станом електрона і дірки.
Ексітон (від латинського excito – збуджую) – це квазічастинка, що відповідає електронному збудженню, що мігрує по кристалу, але не пов’язане з перенесенням електричного заряду та маси.
a) Звичайний стан b) 3-Перехід електрона (2) та поява дірки(1).
Двовимірні шари:
У більшості твердих тіл такі стани з’єднання можливі лише за надзвичайно низьких температур. Однак ситуація інакше з так званими «двовимірними матеріалами», які складаються тільки з тонких шарів атомів. Команда з Технічного Університету Вена створила вміло спроектовану сендвіч-структуру, в якій тонкий шар диселеніду вольфраму або дисульфіду вольфраму знаходиться між двома шарами нітриду бору. Електричний заряд впливає на систему ультратонкого шару за допомогою графенових електродів.
У таких двовимірних шарованих системах ексітони мають набагато більшу енергію зв’язку, ніж у звичайних твердих тілах, і тому значно стабільніші. Прості стани зв’язку, що складаються з електронів та дірок, можуть бути продемонстровані навіть за кімнатної температури. Великі екситонні комплекси можуть бути виявлені за низьких температур.
Різні екситонні комплекси можна отримати залежно від цього, як система забезпечується електричної енергією з допомогою коротких імпульсів напруги. Коли ці комплекси розпадаються, вони вивільняють енергію у формі світла, саме так, нещодавно розроблена система шарів працює як світлодіод.
Як заявляють самі дослідники та автори проекту, система світлових шарів не лише надає чудову можливість для вивчення екситонів, а й є інноваційним джерелом світла. Тепер є світлодіод, на довжину хвилі якого можна легко впливати шляхом зміни форми прикладеного електричного імпульсу.