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研究人員開發出「零缺陷」的單層材料

上網時間: 2015年12月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:單層半導體  薄膜  MoS2  LED  量子效率 

美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)與羅倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)的研究團隊發現一種能為單層半導體修復缺陷的簡單方法。透過將材料浸潤於有機超強酸中,可讓透明LED顯示器所用的單層薄膜達到完美的「零缺陷」,從而大幅提高其發光效率。

單層半導體可望用於開發透明的LED顯示器、超高效太陽能電池、光電檢測器與奈米級電晶體,然而,單層薄膜通常因為滿佈缺陷而降低實際的性能。

柏克萊的研究人員採用化學治療法,可讓單層材料的光致發光量子效率提高100倍——光致發光量子效率用於表示材料所產生的發光量與所投入的能量比。發光量越高、量子效率越高,材料的品質就越好。

研究人員將二硫化鉬(MoS2)材料浸潤於一種稱為亞胺(bistriflimide)或TFSI的超強酸中,大幅提高了量子效率,使其從不到1%增加到100%。

這項刊登在11月27日《科學》(Science)期刊的研究結果,為MoS2等單層材料在光電裝置與高性能電晶體的實際應用開啟了大門。MoS2的厚度大約為1nm的7/10,比人類DNA鏈約2.5nm的直徑更小。

「傳統上,材料越薄,對於缺陷就越敏感,」UC Berkeley電子工程與電腦科學教授Ali Javey表示,「這項研究首次展現了完美的光電單層,它能夠在這麼薄的材料中實現可說是前所未聞的。」

研究人員使用超強酸的原因在於——以定義來看,他們都是具有「釋放」質子傾向的解決方案,對於其他物質來說,他們通常是以氫原子的形式存在。研究人員表示,這種化學反應過程稱為質子化,其效應是在缺陷處填補缺失的原子,同時移除黏在表面上的雜質。

該論文的共同作者是UC Berkeley博士生Matin Amani、博士班交換學生Der-Hsien Lien以及學士後研究人員Daisuke Kiriya。

根據作者群表示,科學家們一直在研究單層半導體,因為其光吸收性低,而且可承受扭轉、彎曲及其他極端形式的機械變形,使其得以實現在透明或軟性電子裝置中的新應用。

具體而言,MoS2的特性是以范華德力(van der Waals force)鍵合分子層,這是一種在不同強大原子層間的原子鍵。使用如此超薄材料的更多好處在於它是高度電性可調的。對於像LED顯示器等應用,這種特性讓裝置可以透過改變施加的電壓,以單一畫素發出多種色彩而非單色。


雷射光束激發以MoS2製造的單層半導體示意圖;圖中的紅色發光點即是由雷射激發的粒子
(來源:Der-Hsien Lien)

研究人員們並表示,LED的效率直接涉及光致發光量子效率,原則上,人們可利用這種零缺陷的「完美」光電單層材料開發透明且軟性的高性能LED顯示器。

這種處置方式還為電晶體帶來革命性的潛力。當電腦晶片中的元件變得越小也越輕薄,存在的缺陷將會對性能造成重大限制。

Javey說:「在此所開發的零缺陷單層,除了可解決缺陷的問題以外,還可實現新型的低功耗開關。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Transparent LED displays built on monolayer semiconductors,by Paul Buckley)





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