Een nieuwe volledig 2-D lichtgevende veldeffecttransistor

Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s), een tweedimensionale (2-D) halfgeleider, zijn veelbelovende materialen voor opto-elektronische apparaten van de volgende generatie. Ze kunnen sterk licht uitstralen vanwege de grote bindingsenergieën van excitonen, quasideeltjes die zijn samengesteld uit een elektron-gat-paar, evenals een atomair dunne aard. Bij bestaande 2D-lichtemitterende apparaten was de gelijktijdige injectie van elektronen en gaten in 2D-materialen echter een uitdaging, wat resulteert in een lage lichtemissie-efficiëntie.

Om deze problemen op te lossen, demonstreerden de groep van prof. Gwan-Hyoung Lee aan de Seoul National University en de groep van prof. Chul-Ho Lee aan de Universiteit van Korea all-2-D light-emitting field-effect transistors (LEFET’s) door 2D-materialen uit te zetten. Ze kozen voor grafeen en monolaag WSe₂ als contactelektrode en een ambipolair kanaal, respectievelijk. Meestal heeft een overgang tussen metaal en halfgeleider een grote energiebarrière. Het is hetzelfde op een kruising van grafeen en WSe₂.

Lee’s groep gebruikte echter de barrière-afstembare grafeenelektrode als sleutel voor de selectieve injectie van elektronen en gaten. Omdat de werkfunctie van grafeen kan worden afgestemd door een extern elektrisch veld, kan de hoogte van de contactbarrière worden gemoduleerd in de met grafeen gecontacteerde WSe₂ transistor, waardoor selectieve injectie van elektronen en gaten bij elk grafeencontact mogelijk is. Door de dichtheid van geïnjecteerde elektronen en gaten te regelen, werd een hoog rendement van elektroluminescentie bereikt van wel 6% bij kamertemperatuur.

Bovendien werd aangetoond dat, door de contacten en het kanaal met afzonderlijke drie poorten te moduleren, de polariteit en lichtemissie van LEFET’s kunnen worden gecontroleerd, wat grote beloften laat zien van de volledig 2-D LEFET’s in meercijferige logische apparaten en sterk geïntegreerd opto-elektronische schakelingen.

Dit onderzoek is gepubliceerd als een paper getiteld “Multi-operation mode light-emitting field-effect transistors based on van der Waals heterostructure” in Geavanceerde materialen.