Un equipo de investigación de la Universidad de Tecnología de Viena (TU Wien) desarrolló un nuevo tipo de LED que genera luz a partir de la descomposición radiativa de los complejos de excitones en capas extremadamente delgadas.
Los investigadores produjeron lo que llamaron "complejos de excitones de múltiples partículas" mediante la aplicación de pulsos eléctricos a capas extremadamente finas de material hecho de tungsteno y selenio o azufre. Estos grupos de excitones son estados de unión compuestos por electrones y "agujeros" en el material y se pueden convertir en luz. El resultado es una forma innovadora de diodo emisor de luz en el que la longitud de onda de la luz deseada se puede controlar con alta precisión. El hallazgo fue publicado en la revista "Nature Communications".
(Aday Molina Mendoza, Matthias Paur, Thomas Müller; Imagen: TU Wien)
Electrones y agujeros
En un material semiconductor, la carga eléctrica se puede transportar de dos maneras diferentes. Por un lado, los electrones pueden moverse directamente a través del material de átomo a átomo, en cuyo caso toman carga negativa con ellos. Por otro lado, si falta un electrón en algún lugar del semiconductor, ese punto se cargará positivamente y se llamará "agujero". Si un electrón se mueve hacia arriba desde un átomo vecino y llena el agujero, a su vez deja un agujero en su posición anterior. De esa manera, los orificios pueden moverse a través del material de manera similar a los electrones pero en la dirección opuesta.
"Bajo ciertas circunstancias, los agujeros y los electrones pueden unirse entre sí", dijo el profesor Thomas Mueller del Instituto de Fotónica (Facultad de Ingeniería Eléctrica y Tecnología de la Información) en TU Wien. "Similar a cómo un electrón orbita el núcleo atómico cargado positivamente en un átomo de hidrógeno, un electrón puede orbitar el agujero cargado positivamente en un objeto sólido".
También son posibles estados de unión complejos con triones, biexcitones o quintones que involucran a tres, cuatro o cinco socios de unión. "Por ejemplo, el biexciton es el equivalente de excitón de la molécula de hidrógeno H2", explicó Thomas Mueller.
(Imagen: TU Wien)
Capas bidimensionales
En la mayoría de los sólidos, tales estados de unión solo son posibles a temperaturas extremadamente bajas. Sin embargo, la situación es diferente con los llamados "materiales bidimensionales", que consisten únicamente en capas delgadas de átomos. El equipo de TU Wien, cuyos miembros también incluyeron a Matthias Paur y Aday Molina-Mendoza, ha creado una estructura tipo sándwich de diseño inteligente en la que una capa delgada de diselenuro de tungsteno o disulfuro de tungsteno se encuentra entre dos capas de nitruro de boro. Se puede aplicar una carga eléctrica a este sistema de capa ultrafina con la ayuda de electrodos de grafeno.
“Los excitones tienen una energía de enlace mucho mayor en los sistemas de capas bidimensionales que en los sólidos convencionales y, por lo tanto, son considerablemente más estables. Se pueden demostrar estados de unión simples que consisten en electrones y agujeros incluso a temperatura ambiente. Grandes complejos de excitones pueden detectarse a bajas temperaturas ”, informó Thomas Mueller. Se pueden producir diferentes complejos de excitones dependiendo de cómo se suministra energía eléctrica al sistema mediante pulsos de voltaje cortos. Cuando estos complejos se descomponen, liberan energía en forma de luz, que es como el sistema de capas recientemente desarrollado funciona como un diodo emisor de luz.
"Nuestro sistema de capas luminosas no solo representa una gran oportunidad para estudiar excitones, sino que también es una fuente de luz innovadora", dice Matthias Paur, autor principal del estudio. "Por lo tanto, ahora tenemos un diodo emisor de luz cuya longitud de onda se puede influenciar específicamente, y muy fácilmente también, simplemente cambiando la forma del pulso eléctrico aplicado".
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