מבוא לפרות ב Semiconductor Optoelectronics

Semiconductor Optoelectronics שוכן בצומת של אלקטרוניקה ו photonics, המאפשר מכשירים שיוצרים, לזהות או לשלוט אור.מ-האור המגביל אור בכל מקום (LED) ל diodes לייזר בעוצמה גבוהה ותאים סולאריים הדור הבא, הביצועים של טכנולוגיות אלה hings על חלקיקים מיקרוסקופיים: exciton.הבנת איך זה טופס, כיוונים קריטי, עיצוב יעיל מחקר חיוני, אופטימיזציה של חומרת, ואפקטים קריטי, הוא חיוני עבור פונקציונליות חיוני, אופטימיזציה של חומרת, הוא קריטי, ואפקטים קריטי, אופטימיזציה של חומרת המוח, עיצוב.

exciton הוא מצב כבול של אלקטרון ובור שמושך אחד לשני באמצעות כוחות Coulomb. כאשר פוטון עם אנרגיה גדולה יותר מאשר מוליכים למחצה הוא נספג, אלקטרון מקודמת מהלהקה של valence ללהקת המוליכים, משאיר מאחור חור חיובי טעון, במקום להישאר כמו נושאת עצמאית, אלקטרון ויכול ליצור זוג מימן, עם מסלול אלקטרון, עם אלקטרון הכרחי כדי למנוע את הפרמטרים, אך לא יכול לעבור את הפרמטרים אל תוך המיקרופון.

המחקר של המצאות אינו רק אקדמי; הוא משפיע ישירות על ביצועי המכשיר בעולם האמיתי.ב LEDs, התחדשות אקסצ'יטון יעילה מייצרת אור.בתאים סולאריים, קטעים חייבים להיות מופרעים ביעילות כדי ליצור זרם חשמלי.ב לייזרים, אינטראקציות אקסצ'יטון יכול לשנות רווח ופסימיים.

טבע פיזי ומבנה של חרטות

עודף טופס כאשר מוליכים למחצה סופג תמונה עם אנרגיה רק מעל ה-Sgap. האלקטרונים והבור נוצרים קרבה קרובה וחווית משיכה משותפת Coulomb. משיכה זו יכולה להיות חזקה מספיק כדי לשמור אותם מתואמות כמו זוג כבול, במיוחד בטמפרטורות נמוכות או בחומרים עם הקרנה דלתית.המצית יכולה להיחשב כחלקיק נייטרלי כי הוא מתמזג באמצעות מומים רדיואקטיביים (או מומים) או מקרינה ללא גירוי (או חניכיים) או חומרים עם פריך (מדומים) או מומים).

האנרגיה החייבת של צ'ינטון קובעת את יציבותה.ב- 3 ממדים קונבנציונליים (bulk) מוליכים למחצה כמו סיליקון או ארסנל arsenide, אנרגיות מחייבות exciton הן צנועות - על מנת של כמה עד עשרות מילימטרים (meV) בטמפרטורת החדר (כ-26 MeV אנרגיה תרמית), אנרגיות אלה הן בקלות מתפוררות, כל כך דומיננטיות על בסיס של סיליקון על פני מאות נקיים, אפילו חומרים כמו צינורות נמוכים, כמו גם ניגודים, כמו גם ניגודים יציבים, כמו גם ניגודים.

גם סטיות יכולות אינטראקציה עם phonons (רטטים מלוכלכים), פגמים, ודברים אחרים.אינטראקציות אלה משפיעות על הניידות שלהם, החיים שלהם, ונתיבים recombination. לדוגמה, פיזור exciton-phonon יכול לנער אנרגיה הרחק מתגובה קורנת, צמצום יעילות קוונטית.

סוגים של אזהרות

Wannier-Mottt Excitons

Wannier-Mott excitons מאופיין ברדיוס גדול - על סדר של כמה ננומטרים - ואנרגיה יחסית חלשה מחייב (בדרך כלל 1–100 meV) הם נפוצים במוליכים למחצה אורגניים עם קבועים דיאלקטריים גבוהים Wan, כגון גליום arsenide מחייבת (Gaas), צוירומיום מספרד (CdTe), וסיליקון הם מבנים קוונטיים כמו תאים קטנים יותר מאשר תאים גמישים יותר מאשר תאים ממתכתיים יותר.

« אזהרות Frenkel

קטעים Frenkel קשורים הדוק, עם אלקטרונים ובור המקומי על אותה מולקולה או בתוך אתר בודד של lattice.רדיוס הוא דומה קבוע הליטקטי, ואנרגיות מחייבות יכול לעלות על 0.5V. Frenkel קטעים אופייניים במוליכים למחצה אורגניים, גבישים מולקולריים, וכמה אינסטלטורים שלהם.

ביסים וטריונס

במידות גדולות יותר, מינים גרפיים מורכבים יותר יכולים להיווצר. A biexciton מורכב משני צואה מחוברים יחד - כלומר, שני אלקטרונים ושני חורים. Biexcitons יש אנרגיה נמוכה יותר משני צפרדעים נפרדים, ואת נוכחותם יכולה להוביל קווי פליטה נוספים בפוטנציה של ספקטרום. Aon הוא מואשם exciton: או שלילי שני אדניטים (או יותר) או אדפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטים (שניים) או שלושה אדפטפטפטפטפטפטפטפטים) משפיעים על אדפטים חיוביים (אונדים).

התפקיד של חומרים ב- Optoelectronic

Light-Emitting Diodes (LEDs)

ב LED, זרם חשמלי הזרקת אלקטרונים וחורים לתוך האזור הפעיל, שבו הם משלבים כדי ליצור קטעים. רדיטיבית Recombination של קטעים משחררים אנרגיה כמו פוטונים.יעילות התהליך הזה הוא הקוונטי על ידי יעילות הקוונטית הפנימית (IQE), אשר תלוי האיזון בין קירור לא-ראדי.

לייזרים Semiconductor

בגוון לייזר, קטעים לשחק תפקיד כפול.בטמפרטורות נמוכות, רווח ציורי יכול לתרום להלסה, במיוחד ב-II-VI Semiconductors ו לייזרים אורגניים מסוימים.טמפרטורת החדר ברוב לייזרים מסחריים (למשל, GaAsons המבוססים), קטעים מהירים יותר מ-Creditronicials מופעלים ישירות על ידי צינורות לייזר חזקים, ורווח מגיע מפלסמה אלקטרונים, עם זאת, כמו חומרים אופטיים מופעלים על ידי לייזרים מופעלים בלחץ גבוה.

תאים סולאריים ופוטטקטורים

במתקנים פוטו-וולטאיים, היווצרות Exciton לאחר ספיגת פוטושופ היא הצעד הראשון.עבור המרה יעילה של כוח, המצאות חייב להיות מוזנחים לאלקטרונים חופשיים וחורבנים לפני שהם recombine. בדינמיקה של תאים סולאריים אורגניים, זה מושג בממשק בין תורם אלקטרונים לבין חומר מקבל, שבו האנרגיה מכוונת הפרדה בתאים סולאריים (למשל, כגון חומרים מסובייקט) מסובכים במהירות, כגון חומרים מסובכים לטמפרטורה נמוכה.

Exciton Dynamics: Formation, Transport, and Recombination

המונחים: Thermalization

לאחר photoexציטוט, זוג אלקטרונים חם מתקרר במהירות באמצעות פליטת הפוניון, בדרך כלל בתוך פיקו השניות.אם האנרגיה המחייבת היא משמעותית, האלקטרונים והבור יכולים לקשור כדי ליצור אקסצ'יטון במהלך תהליך קירור זה.זמן היווצרות תלוי בתכונות החומריות ובדחיסות הציטוט.ברוב 3-V Semiconductors, היווצרות exciton מתרחשת בכמה פיקופים; ב-2DTM, יכול להיות מהיר יותר מאינטראקציות קומול.

Diffusion ו-Creport

חלקיקים הם חלקיקים נייטרליים, כך שהם לא מושפעים על ידי שדות חשמליים ישירות.עם זאת, הם יכולים diffuse באמצעות תנועה אקראית או קוהרנטית (בגבי גבישים איכותיים) אורך דיפוזיה Exciton - המרחק הממוצע של מסע exciton לפני recombining - הוא פרמטר מפתח במכשירים אופטיקוניים.

המונחים: pathways

(הופנה מהדף מספר ערוצים:0) RecombinationFLT:1 (מחדש) מייצרת פוטון והוא מבוקש ב LEDs ו לייזרים.FLT:2 Non-radiative Recombination Recombinationduction.FLT 3: 3 כולל אובדן חד-ממדי (Sockley-read-Hall) Recombination, Recombination, ו-Regicregation in a Discilitation, Representation, Igation in a Discireton Reduction, 2.

חומרים מתעוררים

שני מוליכים למחצה

חומרים מתכתיים (TMDs) כמו MoS2, WS2, MoSe2, ו- WSe2 הפכו למגרש משחקים עבור פיזיקה exciton. בצורת מונושכבת, הגבלת קוונטית והפחתה של בדיקות דיאלקטריות מובילים לאנרגיות ענקי של ג'וינט (0.3-0.6 e) אלה זמניים יציבים לשלוט בתגובה אופטית, עם תמונות חזקות יותר, כולל תכונות מורכבות של קרינת אלקטרו-מנטריות, כולל ספקטרום (D) ותכונות מתקדמות יותר, כולל , כולל , כולל תמונות אחוריות (Discotstanicertompciscotompcreton) , כולל תכונות מתקדמות יותר, כולל , כולל תכונות מתקדמות יותר, כולל , כולל , כולל , כולל , כולל , כולל , 3Discotstantstanicial) , כולל , כולל , כולל תכונות מתקדמות יותר, כולל , כולל תכונות מתקדמות יותר, כולל תכונות מתקדמות יותר, כולל , כולל , תכונות אלקטרו-Discotstanicial אחוריות גבוהה יותר, כולל , כולל , כולל תמונות אחוריות).

מוביל הליביד Perovskites

perovskites היברידית אורגנית, כגון CH3NH3PbI3, יש מהפכה photovoltaics עם יעילות המרה כוח מעל 26%.הפרטים ב perovskites הם ביניים בין Wannier-Mott ו Frenkel סוגים, עם הפסדים מחייבים סביב 10-50 meV בטמפרטורת החדר -ufficient for יציבה, אבל גם מאפשר דינמיקות יעילה של חומרים LEDicicicic כולל חומרים אלה.

אורגני Semiconductors

Optoelectronics מסתמכים מאוד על מהירויות Frenkel. in אורגני LEDs (OLEDs), היווצרות exciton לאחר הזרקת המטען מוביל אלקטרו-ימינס.מצבים שונים של קטעים - singlet (totalספין 0) ו- משולש (total ספינים) על מנת להשיג יעילות חשמלית גבוהה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

שליטה ב- Exciton Dirgation and Recombination

אחד האתגרים המרכזיים ב-Oelectoelectronics הוא לשלוט כאשר וכיצד קטעים מתפזרים או recombine. בתאים סולאריים, אנו רוצים דיסוציאציה יעילה לתוך ספקים חופשיים; ב LEDs, אנו רוצים התחדשות רדיאלית יעילה. achieving הן באותה פלטפורמה חומרית דורש הנדסה זהירה של ממשקים, לעשות פרופילים, ופגמים בשנים האחרונות, שימוש יעיל של הסביבה מבוזרת או מכוונת חומרים מכווצרית זו יכול להיות פונקציונליים.

אפקטים גבוהים ואפקטים של Auger Recombination

באבחון גבוה, אינטראקציות exciton-exciton ו ביצועי הגבלת Auger recombination. in Blue-emitting InGaN LEDs, יעילות droop מיוחסת במידה רבה ל- Auger Recombination.בחומרים 2D, exciton-exton annihilation הופך חמור בגניות צנועות, lupingminig אלה דורשות אפקטים חדשניים כגון:

תוספות בטמפרטורת החדר

תופעות מרגשות רבות נצפו רק בטמפרטורות מבוכות עקב דיסוציאציה תרמית.עם זאת, גילוי של מחיצות יציבות של חדר-זמן ב- TMDs ו perovskites פתח את הדלת ליישומים מעשיים.הרחבת ההשפעות האלה לחומרים אחרים, כגון מונו-IVlayers (silicene, Germanene) או IV-VI תרכובות, הוא אזור פעיל של מחקר.

שילוב עם ננופוטניקה

(הדברים המקיפים) לקביים אופטיים או מבני plasmonic יכולים לשפר את האינטראקציות האור-חומריות. הפיכה חזקה מייצרת מצבים היברידיים הנקראים Exciton-קוטבטונים, שיש להם גם אופי פוטוני וגם גרפיטי.

מסקנה

הרחבות יעילות הן מרכזיות לתפעול ואופטימיזציה של מכשירים חצי-מוליכים למחצה אופטוטרואלקטרוניקה. האנרגיה, הדינמיקה והאינטראקציות שלהם קובעים כיצד אור מיוצר ביעילות, נספג, ומומרת.ממממממאגר הגדול ונצ'ונדר-מוט-Mottt (Motttt) בגרסאות פיזיקליות קונבנציונליות של חומרים קומפקטיים ואפקטיביים (Dicopicial) ימשיכו לספק חומרים סביבתיים מתקדמים יותר ויותר.