Onderzoek naar lichtemissie van zwarte fosfor wijst op nieuwe toepassingen

Energiezuinige LED’s (light emitting diodes) zijn begonnen met het vervangen van vele soorten verlichting, zowel binnen als buiten. Een belangrijke reden voor de opkomst van LED’s is materiaalonderzoek dat de kwaliteit en intensiteit van het licht dat met deze apparaten haalbaar is, aanzienlijk heeft verbeterd. Maar die materialen moeten met een zeer hoge mate van precisie worden gehanteerd, inclusief oppervlakken die zo defectvrij mogelijk zijn.

“Ze zijn efficiënter en gaan langer mee”, zegt Ali Javey, Senior Faculty Scientist van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), over de materialen waaruit de huidige LED-apparaten bestaan, “maar om goede efficiëntie te krijgen, moet je echt de [material] oppervlakken tot in de perfectie – je moet de oppervlaktechemie in de gaten houden en beheersen en zelfs dan heb je nog wat lichte verliezen.” Javey is ook professor elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley.

Javey en zijn team zeiden dat hun recente onderzoek naar zwarte fosfor (BP) – een interessant materiaal vanwege zijn elektronische eigenschappen – een verleidelijk vermogen onthult voor lichtemissie aan het BP-oppervlak.

Het blijkt dat extreem dunne lagen BP kunnen worden gestimuleerd om bruikbare hoeveelheden licht in specifieke golflengten uit te zenden. Bovendien doet hij dit onafhankelijk van de ondergrond. Sterker nog, ze kunnen BP zelfs laten oxideren (denk aan roest) en het zal nog steeds licht uitzenden in het midden-infrarood (IR) zonder enig verlies aan efficiëntie.

“We doen niets speciaals aan het oppervlak. We doen geen speciale chemie. We brengen geen speciale beschermingslagen aan”, zei hij.

Het Javey-team publiceerde hun bevindingen in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Het werk is zowel een fundamentele ontdekking over de eigenschappen van BP, als het suggereert opwindende vooruitzichten voor toepassingen.

“Zwarte fosfor is echt goed voor IR-lichtemissie en -detectie in de middengolf”, zei Javey. “Onze groep en anderen hebben al eerder zeer heldere midwave IR-led’s getoond. Mid-IR-led’s die conventionele halfgeleiders gebruiken, zijn niet erg efficiënt vanwege fundamentele materiaaleigenschappen. BP heeft een inherent voordeel in dat golflengtebereik.”

Het mid-IR-bereik is interessant voor toepassingen in nachtzicht, detectie, spectroscopie en meer, vervolgde Javey. “Onze bevindingen benadrukken de unieke materiaaleigenschappen van gelaagde materialen voor nieuwe opto-elektronische toepassingen zoals lichtgevende apparaten en fotodetectoren.”

Licht krijgen van dunne zwarte fosfor

Het Javey-lab doet al een tijdje onderzoek naar de ‘magische eigenschappen’ van BP. In 2022 meldden ze dat BP onder mechanische belasting kan worden aangezet om dynamisch infrarood (IR) licht uit te zenden of te detecteren in een reeks gewenste golflengten – 2,3 tot 5,5 micrometer, wat het korte- tot middengolf-infrarood omvat – en om doe dit omkeerbaar bij kamertemperatuur.

“In dit nieuwe artikel bekijken we hoe het lichtemissiemechanisme verandert wanneer we de dikte van BP veranderen”, zegt co-auteur Shiekh Uddin. In dikke eenheden van BP kunnen elektronen en gaten – dat wil zeggen negatief en positief geladen deeltjes – licht genereren wanneer ze met elkaar botsen.”

Verdund tot onder een paar nanometer, zijn de elektronen en gaten aan het BP-oppervlak echter zo beperkt dat ze zich combineren als magneten die samen in een zak worden getrokken. Deze aangeslagen toestand, exciton genaamd, zendt het licht efficiënter uit dan geïsoleerde elektronen en gaten.

“Belangrijk is dat we vinden dat het oppervlak minder schadelijk is voor de luminescentie-efficiëntie vanwege de inherente kristalstructuur van BP, ” zei co-auteur Naoki Higashitarumizu. Het blijkt dat BP een ongewoon lage oppervlakterecombinatiesnelheid heeft. Dat is een maat voor hoe snel dragers – elektronen of gaten – verloren gaan op het oppervlak van het materiaal zonder licht te genereren.

In feite is de oppervlakterecombinatiesnelheid van BP twee ordes van grootte lager dan voor andere materialen, zei Uddin. Dit geldt zelfs wanneer het oppervlak is geoxideerd of beschadigd als gevolg van blootstelling aan het milieu. Als gevolg hiervan kunnen we heldere lichtuitstraling bereiken, zelfs wanneer BP erg dun is gemaakt.

Verderop zei Javey: “Wij geloven dat recombinatie met een laag oppervlak niet beperkt is tot BP, maar ook van toepassing zou moeten zijn op andere gelaagde materialen met vergelijkbare kristalstructuren.”