ウィーン工科大学（TU Wien）の研究チームは、非常に薄い層の励起子錯体の放射崩壊から光を生成する新しい種類のLEDを開発しました。
研究者たちは、タングステンとセレンまたは硫黄から作られた材料の非常に薄い層に電気パルスを印加することによって、彼らが「多粒子励起子錯体」と呼ぶものを作り出した。 これらの励起子クラスターは、材料中の電子と「正孔」からなる結合状態であり、光に変換することができます。 その結果、所望の光の波長を高精度で制御することができる革新的な形態の発光ダイオードが得られる。 調査結果は、雑誌“ Nature Communications”に掲載されました。
（Aday Molina Mendoza、Matthias Paur、ThomasMüller、画像：TU Wien）
電子と正孔
半導体材料では、電荷は２つの異なる方法で輸送することができる。 一方では、電子は原子から原子へと材料を通ってまっすぐに移動することができ、その場合それらはそれらと共に負の電荷を帯びる。 一方、電子が半導体内のどこかに欠けていると、その点は正に帯電し、「正孔」と呼ばれます。 電子が隣接する原子から上に移動して正孔を埋めると、今度は前の位置に正孔が残ります。 このようにして、正孔は電子と同様に、しかし反対方向に材料を通って移動することができる。
TU WienのPhotonics Institute（電気工学情報技術学部）のThomas Mueller教授は、次のように述べています。 「電子が水素原子の中の正電荷を帯びた原子核を周回するのと同じように、電子は固体物体の中の正電荷を帯びた正孔を周回することができます。」
３つ、４つ、または５つの結合パートナーを含むトリオン、二励起子または五重子を含む複雑な結合状態もまた可能である。 「例えば、励起子は水素分子H2の励起子当量です」とThomas Mueller氏は説明します。
（画像：TU Wien）
二次元レイヤー
ほとんどの固体では、そのような結合状態は極端に低い温度でのみ可能です。 しかしながら、原子薄層のみからなる、いわゆる「二次元材料」では状況が異なります。 そのメンバーもMatthias PaurとAday Molina-Mendozaを含むTU Wienのチームは、二セレン化タングステンまたは二硫化タングステンの薄層が2つの窒化ホウ素層の間に固定されている巧妙に設計されたサンドイッチ構造を作成しました。 グラフェン電極の助けを借りてこの超薄層系に電荷を印加することができる。
「励起子は、従来の固体よりも二次元層状系の方がはるかに高い結合エネルギーを持っているため、かなり安定しています。 電子と正孔からなる単純な結合状態は、室温でも証明することができます。 大きな励起子錯体は低温でも検出できる」とThomas Muellerは報告した。 短い電圧パルスを用いてシステムに電気エネルギーをどのように供給するかに応じて、異なる励起子錯体を生成することができる。 これらの錯体が崩壊すると、それらは光の形でエネルギーを放出し、それが新しく開発された層システムが発光ダイオードとしてどのように働くかである。
「われわれの発光層システムは励起子を研究する絶好の機会を表すだけでなく、革新的な光源でもあります」と研究の主執筆者であるMatthias Paurは述べています。 「それゆえ、我々は今や、その波長が特に影響されることができる発光ダイオードを持っています - そして、非常に簡単に、単に適用された電気パルスの形状を変えることによって。」
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