日常生活中,常见的光电子材料比如发光二极管(LED,light-emitting diode)有着不同的颜色。红色、黄色的 LED 用能隙小的半导体制作而来,绿光、蓝光或紫外线 LED 则用能隙较大的半导体制作而来。

在红、黄等 LED 器件中,主要的损耗可以用“多声子发射”机理来解释。但是,在蓝光等大能隙的器件中,“多声子发射”机理并不能解释里面测量出来的损耗率。

基于此,来自美国加州大学圣芭芭拉分校和立陶宛物理科学与技术中心的研究人员,探索了 Auger-Meitner 现象能否解释蓝光 LED 里面的损耗。

Auger-Meitner 指的是俄歇效应的过程。“俄歇”,来自于 Auger 的音译。俄歇效应,由法国科学家皮埃尔·俄歇(Pierre Auger)于 1923 年发现。事实上,1922 年奥地利物理学家莉泽·迈特纳(Lise Meitner)就已经独立发现了这种现象。为了同时纪念皮埃尔·俄歇和莉泽·迈特纳,人们把这个现象称为 Auger-Meitner 现象。

简单来说,Auger-Meitner 现象就是一个电子载流子和一个空穴载流子复合时,能量转移到另一个电子或空穴载流子之中,并能把它们激发到更高能量的现象。和多声子发射效应一样,Auger-Meitner 现象会让光电子器件中的电能转化为热能,从而降低光电子器件的效率。

而开展本次研究的课题组通过计算发现,由材料中的缺陷或杂质态参与的 Auger-Meitner 现象的发生速率,并不依赖于材料的能隙大小。而随着材料能隙的变大,“多声子发射”过程的速率呈现出指数级的缩小。

相关计算结果表明,由缺陷参与的 Auger-Meitner 现象在蓝光 LED 材料中造成的损耗,和实验观测到的损耗大致相同,这也解释了实验中所测得的蓝光 LED 能量损耗的来源。

日前,相关论文以《基于第一性原理的缺陷态辅助的俄歇-迈特纳复合效应》()为题发在 Physical Review Letters[1]。

图 | 相关论文(来源:Physical Review Letters)

美国加州大学圣芭芭拉分校博士是第一作者兼共同通讯作者,美国加州大学圣芭芭拉分校教授克里斯 G.范德瓦勒()为共同通讯‍作者,立陶宛物理科学与技术中心教授奥德里斯·阿尔科斯卡斯()为合作作者。凭借这一成果,获得了国际半导体缺陷会议的 Corbett 奖。

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图 | Corbett 奖获奖者(来源:Wikipedia)

评审专家表示,本次工作开创了新的方向。其评价称,研究人员通过开发新的计算方法,探索了一个很早之前就被发现的物理过程在蓝光或宽带半导体器件中所扮演的损耗发光效率的角色。

那么,在蓝光或紫外线发光器件中,缺陷或杂质是如何影响效率的?据介绍,在任何半导体发光器件中都不可避免存在大量缺陷或杂质。它们会帮助电能转化为晶格振动的热能,从而影响任何半导体器件的发光效率。

而这种由缺陷参与的 Auger-Meitner 现象,则会极大影响蓝光等宽带半导体材料中的发光效率。因此,此次发展的计算方法可被用于计算任何一种缺陷或杂质在任何半导体材料中所导致的 Auger-Meitner 损耗的速率。

此外,也可用于研究到底哪一种缺陷或杂质,所带来的发光效率损耗更加重要,从而指导相关研究人员通过避免这种缺陷或杂质的引入,来提高半导体器件的发光效率。

对于研究过程表示:“5 年前, 教授曾和 讨论,宽带半导体材料中的缺陷或杂质导致的 Auger-Meitner 现象,可能会在半导体发光材料中产生损耗,从而影响发光效率。”

但是,该团队一直没有合适的研究者,来进行新型计算方法的开发,以及通过新的第一性原理计算后处理程序,来模拟这种缺陷导致的 Auger-Meitner 现象的速率,进而去估算它的重要性。

“我在 2021 年进入课题组时, 把这个题目交给我。后来,我先是阅读了关于常规 Auger-Meitner 现象模拟的相关文献,推导了相关公式,也分析了缺陷导致的 Auger-Meitner 现象和常规 Auger-Meitner 的区别,以及在计算模拟中应该采用怎样的特殊方法来模拟。”说。

后来,他独立开发了一套可以模拟缺陷导致的 Auger-Meitner 现象的并行 fortran 程序。不久之后,他和同事发现模拟这种缺陷系统,需要选用很大的元胞和计算量。

于是,构思出一种新方法:通过混合使用小元胞来计算半导体材料态密度,并利用求和变积分的方法,把它混合到大元胞缺陷计算之中。这样一来,只需较小的计算量,就能模拟出比较准确的缺陷 Auger-Meitner 现象速率。

他继续表示:“我们还做了大量的检查,借此计算物理量中的每一个系数、以及矩阵元的精确度。我们也在不同材料和不同缺陷中进行了测试。最终,确认了计算结果的准确度。”

图 | 赵方舟(柳叶:)

后续,他们打算把本次计算方法扩展到多个缺陷参与的 Auger-Meitner 过程。原因在于,这些过程可能发生在一些量子计算平台材料中,而它们会破坏系统所需要达到的电荷态,也可能会对发光材料的效率有较大影响。

参考资料:

1.Fangzhou Zhao, Mark E. Turiansky, Audrius Alkauskas, and Chris G. Van de WallePhys. Rev. Lett. 131, 056402 – Published 2 August 2023

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