Displays von Smartphones und Laptops verbrauchen künftig weit weniger Strom, auch dann, wenn sie mit maximaler Helligkeit strahlen. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley (UC) haben ein Verfahren entwickelt, das die Emission von Wärme statt Licht minimiert.
Gedehnter Halbleiterfilm
Zunächst fanden die Forscher heraus, wie die elektronische Struktur eines Halbleiters die Wechselwirkung zwischen den energiegeladenen Teilchen im Material beeinflusst. Häufig kollidieren sie miteinander und vernichten sich gegenseitig. Die dabei frei werdende Energie entlädt sich zulasten der Lichtemission in Form von unerwünschter Wärme. Das wollten die Forscher ändern.
Ihr Ansatz konzentriert sich darauf, einen dünnen Halbleiterfilm so zu dehnen oder zu komprimieren, dass er seine elektronische Struktur so verändert, dass Kollisionen weitgehend ausgeschlossen sind.
„Es ist immer einfacher, Wärme abzugeben als Licht, besonders bei hoher Helligkeit“, sagt Ali Javey, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC in Berkeley. „Mit unserem Verfahren konnten wir die Lichtverluste um das Hundertfache reduzieren.“
Einzigartige Eigenschaften
Das gelang mit einer einzigen, drei Atomlagen dicken Schicht einer Art Halbleitermaterial, einem sogenannten Übergangsmetall-Dichlorgenid. Als Übergangsmetalle werden 40 chemische Elemente bezeichnet, darunter Chrom, Silber und Wolfram. Die Forscher entschieden sich für Wolfram. Diese hauchdünne Schicht hat eine Kristallstruktur, die zu einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften führt.
Werden ihre Atome entweder durch einen elektrischen Strom oder durch Licht angeregt, entstehen energetisch angeregte Teilchen, die Exzitonen.
„Wenn es uns gelingt, die Exzitonen-Konzentration im Material niedrig zu halten, verringern wir die Wärmeemission“, sagt Shiekh Zia Uddin, Doktorand an der UC Berkeley.
Durch eine Optimierung der Bandstruktur des Materials, erreicht durch mechanische Belastung, gelang es, die Exzitonen-Konzentration niedrig zu halten und damit die Gefahr zu bannen, dass sich zu viele davon gegenseitig auslöschen. Das kommt der Lichtausbeute zugute.
