Une équipe de recherche de l’université technique de Vienne vient de créer un nouveau type de LED qui produit de la lumière grâce à des excitons.

Lorsque des films extrêmement minces de tungstène et de sélénium ou de soufre sont stimulés par des impulsions électriques, ils produisent des amas d‘« excitons multiparticules ». Ces amas sont des états de liaison constitués d'électrons et de trous, et peuvent émettre de la lumière. Cette nouvelle structure de LED permet de maîtriser avec une grande précision la longueur d'onde de la lumière en commandant les impulsions de tension appliquées.

Amas d’excitons

Dans les semi-conducteurs, le courant électrique circule de deux manières différentes : comme pour les métaux, les électrons peuvent se déplacer d'atome en atome à travers le matériau. Un trou, par contre, correspond à l'endroit où il manque un électron, ce qui explique pourquoi le trou est chargé positivement. Lorsqu'un électron d'un atome voisin entre et comble le trou, il laisse un autre trou à son emplacement précédent. Ainsi, les trous peuvent se déplacer dans le matériau comme les électrons, mais dans des directions opposées.

Cependant, dans des circonstances spécifiques, certaines combinaisons de trous et d'électrons peuvent créer une liaison entre elles. Tout comme l'hydrogène atomique (un électron en orbite autour du noyau atomique positif), un électron peut orbiter autour d’un trou chargé positivement dans le matériau semi-conducteur. Il existe des états de liaison encore plus compliqués, notamment sous la forme de trions, biexcitons ou quintons, où trois à cinq partenaires de liaison sont concernés. Un biexciton, par exemple, correspond à l’équivalent de la molécule d’hydrogène H2.

Matériaux 2D stratifiés

Dans la plupart des matériaux, ces états ne sont possibles qu'à très basse température, juste au-dessus du zéro absolu. Dans les « matériaux à deux dimensions », où l'épaisseur des couches de matière est celle d'un atome, le phénomène est différent. L’équipe de recherche de l’université technique de Vienne a réalisé une structure constituée d'un film mince de diséléniure ou de disulfure de tungstène, pris en sandwich entre deux films de nitrure de bore. Grâce à des électrodes de graphène, les chercheurs ont appliqué un signal électrique à cette structure stratifiée.

L'énergie de liaison des excitons dans une structure stratifiée aussi mince étant nettement supérieure à celle rencontrée dans les solides classiques, les excitons sont plus stables. Les états de liaison peuvent même apparaître à température ambiante. À des températures inférieures, des amas d’excitons plus volumineux et plus complexes sont détectables. Il est possible de produire différents complexes d'excitons, en fonction des caractéristiques des impulsions de tension appliquées. Lorsque ces complexes se décomposent, l'énergie est libérée sous forme de lumière, dont la longueur d'onde est déterminée par les caractéristiques de l'impulsion électrique appliquée.

Les résultats de ces travaux ont été décrits dans un article intitulé Electroluminescence from multi-particle exciton complexes in transition metal dichalcogenide semiconductors, publié dans la Revue Nature Communications.