Đèn LED hay còn được gọi là điốt phát sáng hiện đại dựa trên một hiệu ứng vật lý được gọi là siêu bội. Trong nhiều thập kỷ, hiệu ứng này được cho là chỉ xảy ra trong các cấu trúc dị chất bán dẫn - nghĩa là, các cấu trúc bao gồm hai hoặc nhiều vật liệu bán dẫn.

Minh họa: Homo - và dị cấu trúc.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Công nghệ Matxcơva đã tìm thấy siêu bội có thể xảy ra trong cấu trúc đồng nhất, được làm bằng một vật liệu duy nhất. Điều này mở ra triển vọng hoàn toàn mới cho sự phát triển của các nguồn sáng.

Các nguồn sáng bán dẫn, như laser và đèn LED, là cốt lõi của công nghệ hiện đại. Chúng là thành phần cấu thành máy in laser và internet tốc độ cao. Nhưng chỉ 60 năm trước, không ai có thể tưởng tượng được chất bán dẫn được sử dụng làm vật liệu cho các nguồn sáng. Vấn đề là để tạo ra ánh sáng, các thiết bị như vậy cần có electron và lỗ trống - chất mang điện tích tự do trong bất kỳ chất bán dẫn nào - để kết hợp lại. Nồng độ electron và lỗ trống càng cao, chúng càng tái hợp thường xuyên, làm cho nguồn sáng sáng hơn. Tuy nhiên, trong một thời gian dài, không có thiết bị bán dẫn nào có thể được sản xuất để cung cấp nồng độ đủ cao của cả electron và lỗ trống.

Giải pháp được tìm thấy vào những năm 1960 bởi Zhores Alferov và Herbert Kroemer. Họ đề xuất sử dụng các cấu trúc dị thể, bao gồm hai hoặc nhiều chất bán dẫn bổ sung thay vì chỉ một. Nếu người ta đặt một chất bán dẫn giữa hai chất bán dẫn có dải rộng hơn và đặt điện áp phân cực thuận, thì nồng độ của các electron và lỗ trống ở lớp giữa có thể đạt tới các giá trị có độ lớn hơn các lớp ở lớp ngoài. Hiệu ứng này, được gọi là siêu bội, làm nền tảng cho laser bán dẫn và đèn LED hiện đại. Phát hiện của họ đã mang lại cho Alferov và Kroemer giải thưởng Nobel về vật lý năm 2000.

Tuy nhiên, hai chất bán dẫn tùy ý không thể tạo ra cấu trúc dị thể khả thi. Các chất bán dẫn cần phải có cùng thời gian của mạng tinh thể. Nếu không, số lượng lỗi tại giao diện giữa hai vật liệu sẽ quá cao và sẽ không có ánh sáng nào được tạo ra. Theo một cách nào đó, điều này sẽ tương tự như việc cố gắng vặn đai ốc trên một bu lông có độ chụm của ren không khớp với đai ốc.

Igor Khramtsov và Dmitry Fedyanin từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow đã thực hiện một khám phá làm thay đổi mạnh mẽ quan điểm về cách các thiết bị phát sáng có thể được thiết kế. Các nhà vật lý nhận thấy rằng có thể đạt được siêu bội chỉ với một vật liệu. Hơn nữa, hầu hết các chất bán dẫn được biết đến có thể được sử dụng.

Trong trường hợp silicon và gecmani, siêu bội đòi hỏi nhiệt độ đông lạnh, và điều này khiến người ta nghi ngờ về công dụng của hiệu ứng này. Nhưng trong kim cương hoặc gallium nitride, siêu bội cực mạnh có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng, tiến sĩ Fedyanin nói.

Điều này có nghĩa là hiệu ứng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị phổ biến trên thị trường. Theo bài báo mới, siêu bội có thể tạo ra nồng độ electron trong một diode kim cương cao hơn 10.000 lần so với những gì trước đây được cho là có thể. Kết quả là, kim cương có thể đóng vai trò là nền tảng cho đèn LED cực tím sáng hơn hàng nghìn lần so với những gì tính toán lý thuyết lạc quan nhất dự đoán.

Đáng ngạc nhiên, hiệu ứng siêu bội trong kim cương mạnh hơn 50 đến 100 lần so với sử dụng trong hầu hết các đèn LED và laser bán dẫn trên thị trường hiện nay dựa trên cấu trúc dị thể, theo Kh Khtstsov chỉ ra.

Các nhà vật lý nhấn mạnh rằng siêu bội có thể xuất hiện trong một loạt các chất bán dẫn, từ các chất bán dẫn băng rộng thông thường đến các vật liệu hai chiều mới lạ. Điều này mở ra triển vọng mới cho việc thiết kế đèn LED xanh, tím, cực tím và trắng hiệu quả cao, cũng như các nguồn sáng cho truyền thông không dây quang (Li-Fi), các loại laser mới, máy phát cho internet lượng tử và các thiết bị quang học chẩn đoán bệnh sớm.

P.T.T (NASATI), theo https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52649.php, 22/4/2019