Onderzoekers aan de Technische Universiteit van Wenen hebben een nieuw soort LED geconstrueerd die licht opwekt met behulp van excitonen. Excitonen zijn quasideeltjes die uit een elektron en een elektronengat bestaan – beide welbekend van halfgeleiders.

In extreem dunne laagjes van wolfraam en seleen of zwavel worden door elektrische impulsen zogenaamde excitonenclusters gegenereerd. Daarbij gaat het om exotische combinaties van elektronen en elektronengaten. Deze excitonenclusters kunnen bij recombinatie direct licht uitstralen. Bij de volgens dit principe werkende LED kan de golflengte van dat licht uiterst nauwkeurig worden geregeld.

Excitonen en meer

In halfgeleiders kan een elektrische stroom op twee verschillende manieren worden getransporteerd: net als bij metalen kunnen elektronen zich van atoom naar atoom door het materiaal verplaatsen. Een (elektronen)gat is daarentegen een plek waar juist een elektron ontbreekt – en daarom is zo’n gat positief geladen. Wanneer een elektron van een naastgelegen atoom aankomt en zo’n gat opvult, laat dat elektron op zijn vertrekpunt een gat achter. Elektronengaten kunnen zich dus net als elektronen door het materiaal verplaatsen, alleen in tegengestelde richting.

Onder bepaalde omstandigheden kunnen echter stabielere combinaties van gaten en elektronen worden gevormd die aan elkaar gebonden zijn. Daarbij kan (ongeveer zoals bij atomaire waterstof, waar een elektron de positief geladen atoomkern omcirkelt) in het halfgeleidermateriaal een elektron het positief geladen gat omcirkelen. Er bestaan zelfs nog complexere combinaties: bij zogenaamde trionen, biexcitonen of quintonen zijn drie tot vijf partners bij de verbinding betrokken. Een biexciton is dan het exciton-equivalent van het waterstofmolecuul H2.

Gelaagde constructie

In de meeste materialenzijn dergelijke toestanden slechts bij extreem lage temperaturen net boven het absolute nulpunt mogelijk. In zogenaamde “tweedimensionale materialen” die uit laagjes bestaan die slechts een paar atomen dik zijn, is de situatie echter anders. De onderzoekers uit Wenen maakten een sandwich-structuur uit een dunne laag wolfraamdiselenide of wolfraamdisulfide tussen twee lagen boornitride. Met behulp van grafeen-elektroden was het mogelijk hierop een spanning aan te leggen.

Omdat de bindingsenergie van de excitonen in zo’n laagstructuur veel groter is dan in normale vaste materialen, zijn de excitonen stabieler. Zelfs bij kamertemperatuur kon hun bestaan worden aangetoond. Bij lage temperaturen bleken grotere en ingewikkeldere excitinenclusters te worden gevormd. Afhankelijk van de eigenschappen van de aangelegde spanningsimpulsen konden verschillende soorten excitonenclusters worden gegenereerd. Bij het recombineren van deze clusters komt energie in de vorm van licht vrij. De laagconstructie werkt zodoende als een LED waarvan de kleur van het uitgestraalde licht via de elektrische aansturing kan worden gevarieerd.

Het onderzoek is onder de titel Electroluminiscence from Multi-particle exciton complexes in transition metal dichalcogenide semiconductors verschenen in het vaktijdschrift Nature Communications.