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凡德瓦異質結構增強LED效能

公告類型: 奈米新知
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英國科學家透過堆疊數種不同材質的二維材料,製作出新型的發光二極體;這些材料包括:金屬性石墨烯(graphene)絕緣性六方氮化硼(hBN)及各種過渡金屬二硫化物(transition metal dichalcogenide, TMDC)所構成的單原子層半導體。該元件表面皆可發光,且量子轉換效率高達近10%;更重要的是,該元件的異質結構只有10~40個原子的厚,因此可望應用於半透明元件(如顯示器)與軟性電子商品中。

近年來,隨著科技產品的迅速發展與日益增加的消費需求,導電性二維材料越顯熱門二維導電材料可用來製造各種日常所需的高科技電子元件,如穿隧二極體 (tunneling diodes)穿隧電晶體 (tunneling transistors)與光伏元件等,亦可用於新穎的應用,如低功率電子電路低成本可撓事顯示器感應器,甚至是可披覆於各種表面的可撓式電子元件。

最廣為人知的兩種二維導電材料為石墨烯及過渡金屬二硫化物。過渡金屬二硫化物又稱為凡德瓦結構(van der Waals structures),化學式為MX2,其中M為過渡金屬元素,通常為鉬或鎢,而X為硫族元素,可以為硫、硒或碲

最近,由諾貝爾物理學獎得主曼徹斯特大學的Kostya NovoselovAndre Geim及雪菲爾大學的Alexander Tartakovskii共同領軍的研究團隊,透過堆疊上述數種不同的二維材料,製作出發光二極體,其中石墨烯為透明導電層,hBN提供穿隧位障,而不同的TMDC則扮演量子阱的角色。

該研究團隊利用「膠帶法」將二維材料剝離塊材,然後在高分子膜上堆疊出所要的異質結構。電子及電洞由兩個石墨烯電極注入夾在中間的TMDC層,當電子與電洞復合時即發出特定波長的光。該團隊採用TMDC是因為這類材料選擇多,且單原子層時具有直接能隙(其塊材為間接能隙)

該團隊藉由選擇TMDC來調控LED的發光波長,目前發光波長介於600800 nm,量子效率可媲美現有的有機發光二極體(organic LEDs),而透過採用多重量子阱結構,還可進一步提升發光效率

該研究可應用於製備具低成本的軟性顯示器感應器, 雖然目前製成的只是概念性的元件,尺寸僅數十微米,離量產與工業化製程尚遠,但該團隊表示將研究其他能夠製備大面積LED的常規技術,如化學氣相沉積法(CMD),希望製作出公分級的LED,以滿足商品化需求。此外,該團隊亦計畫將其LED與介電微空腔及波導整合,以便控制發光的方向及光譜特性。詳見近期的自然材料(Nature Materials) | DOI: 10.1038/nmat4205


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=1021
譯者/譯者服務單位:薛涵宇/美國麻州大學阿默斯特分校-高分子科學與工程學院   責任編輯:蔡雅芝
發布日期: 2015/03/23
發布人員: 王芊樺