Only Perception: 最薄的 LED：三個原子厚

2014-03-12

最薄的 LED：三個原子厚

Scientists build thinnest-possible LEDs to be stronger, more energy efficient
http://phys.org/news/2014-03-scientists-thinnest-possible-stronger-energy-efficient.html

By Michelle Ma, Mar 10, 2014

(Phys.org) -- 絕大多數的電子裝置，從平面電視、智慧手機到穿戴式科技與電腦螢幕，都使用微小的發光二極體（LED）。這些 LEDs 所使用的半導體會隨著電子的移動而發光。當裝置愈來愈小、愈來愈快時，對於這種半導體的需求就是：更薄、更強健以及更節能。

Washington 大學的科學家打造出目前已知最薄的 LED，可做為電子裝置中的光能來源使用。這種 LED 是基於二維的、可撓的半導體，使得它能夠堆疊或著用於比目前科技所允許還更小、更多樣的應用中。

"我們能製造出目前已知最薄的 LEDs，只有三個原子厚，可是它的機械性質卻很強健。這麼薄且可折疊的 LEDs 對於未來的可攜式與整合式電子裝置至關緊要，" Xiaodong Xu（音譯：徐曉東）表示，UW 的材料科學與工程、物理學助理教授。

Xu 與 Jason Ross，UW 的材料科學與工程畢業生，合寫一篇關於此技術的論文，那出現在 3/9 的 Nature Nanotechnology 線上版。

絕大多數的消費性電子裝置都使用三維的 LEDs，但這些比 UW 所開發的還要厚 10 到 20 倍。

"這些比人類頭髮厚度還要小 10,000 倍，但其所發出的光，卻能夠被標準測量設備看見，" Ross 說。"對於這種技術的微小化來說是一大躍進，而且因為是半導體，所以你幾乎能利用現有的、三維的矽技術完成每一件事，" Ross 表示。

UW 的 LED 以平坦的分子半導體（molecular semiconductor）薄膜製成，稱為二硒化鎢（tungsten diselenide），那是一群二維材料的其中一員，最近經過確認，為已知最薄的半導體。研究者利用一般膠帶從一塊較厚、成層的這種材料上，取出單一一層，而這種方法的靈感則來自於 Manchester 大學 2010 年諾貝爾物理獎得主，他們從一塊石墨上分離一個原子厚的一片片碳，稱為石墨烯。

除發光應用之外，此技術為利用「光」進行互連而運作的奈米級電腦晶片開啟了大門，那不像標準裝置，靠電子的移動（電流）來運作。後者會創造出大量的熱且浪費電，而在晶片上利用光的傳送達到相同目的，則將具備高效能。

"一種前途無量的解決方案是，將電互連以光互連取而代之，那將維持高頻寬卻更節能，" Xu 說。"我們的研究使得在照明、光通訊與奈米雷射這些領域中，具備高度整合且節能的裝置成為可能。"

研究團隊正在尋找更有效率的方法來創造這些 LEDs，並觀察當二維材料以不同方式堆疊時會發生什麼事。此外，這些材料經證明，能以其他材料都辦不到的新方法與偏振光產生反應，而研究者也將繼續探索這些應用。

※ 相關報導：

＊ Electrically tunable excitonic light-emitting diodes based on monolayer WSe2 p–n junctions
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.26

Jason S. Ross, Philip Klement, Aaron M. Jones,
Nirmal J. Ghimire, Jiaqiang Yan, D. G. Mandrus,
Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Kenji Kitamura,
Wang Yao, David H. Cobden, Xiaodong Xu.
Nature Nanotechnology (2014)
doi: 10.1038/nnano.2014.26

....Here, we report electroluminescence from lateral p–n junctions in monolayer WSe2 induced electrostatically using a thin boron nitride support as a dielectric layer with multiple metal gates beneath. This structure allows effective injection of electrons and holes, and, combined with the high optical quality of WSe2, yields bright electroluminescence with 1,000 times smaller injection current and 10 times smaller linewidth than in MoS2 (refs 17,18). Furthermore, by increasing the injection bias we can tune the electroluminescence between regimes of impurity-bound, charged and neutral excitons. This system has the required ingredients for new types of optoelectronic device, such as spin- and valley-polarized light-emitting diodes, on-chip lasers and two-dimensional electro-optic modulators.