用单层半导体材料打造“零缺陷”透明LED显示器

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美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)与劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的研究团队发现一种能为单层半导体修复缺陷的简单方法。透过将材料浸润于有机超强酸中，可让透明LED显示器所用的单层薄膜达到完美的“零缺陷”，从而大幅提高其发光效率。

单层半导体可望用于开发透明的LED显示器、超高效太阳能电池、光电检测器与纳米级晶体管，然而，单层薄膜通常因为满布缺陷而降低实际的性能。

伯克利的研究人员采用化学治疗法，可让单层材料的光致发光量子效率提高100倍——光致发光量子效率用于表示材料所产生的发光量与所投入的能量比。发光量越高、量子效率越高，材料的质量就越好。

研究人员将二硫化钼(MoS2)材料浸润于一种称为亚胺(bistriflimide)或TFSI的超强酸中，大幅提高了量子效率，使其从不到1%增加到100%。

这项刊登在11月27日《科学》(Science)期刊的研究结果，为MoS2等单层材料在光电装置与高性能晶体管的实际应用开启了大门。MoS2的厚度大约为1nm的7/10，比人类DNA链约2.5nm的直径更小。

“传统上，材料越薄，对于缺陷就越敏感，”UC Berkeley电子工程与计算机科学教授Ali Javey表示，“这项研究首次展现了完美的光电单层，它能够在这么薄的材料中实现可说是前所未闻的。”

研究人员使用超强酸的原因在于——以定义来看，他们都是具有“释放”质子倾向的解决方案，对于其他物质来说，他们通常是以氢原子的形式存在。研究人员表示，这种化学反应过程称为质子化，其效应是在缺陷处填补缺失的原子，同时移除黏在表面上的杂质。

该论文的共同作者是UC Berkeley博士生Matin Amani、博士班交换学生Der-Hsien Lien以及学士后研究人员Daisuke Kiriya。

根据作者群表示，科学家们一直在研究单层半导体，因为其光吸收性低，而且可承受扭转、弯曲及其他极端形式的机械变形，使其得以实现在透明或软性电子装置中的新应用。

具体而言，MoS2的特性是以范华德力(van der Waals force)键合分子层，这是一种在不同强大原子层间的原子键。使用如此超薄材料的更多好处在于它是高度电性可调的。对于像LED显示器等应用，这种特性 让装置可以透过改变施加的电压，以单一像素发出多种色彩而非单色。

激光束激发以MoS2制造的单层半导体示意图；图中的红色发光点即是由雷射激发的粒子
Source：Der-Hsien Lien

研究人员们并表示，LED的效率直接涉及光致发光量子效率，原则上，人们可利用这种零缺陷的“完美”光电单层材料开发透明且软性的高性能LED显示器。

这种处置方式还为晶体管带来革命性的潜力。当计算机芯片中的组件变得越小也越轻薄，存在的缺陷将会对性能造成重大限制。

Javey说：“在此所开发的零缺陷单层，除了可解决缺陷的问题以外，还可实现新型的低功耗开关。”

编译：Susan Hong

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