Aufdeckung der entscheidenden Rolle des Auger-Meitner-Effekts beim Elektronenenergieverlust

Defekte schränken häufig die Leistung von Geräten wie Leuchtdioden (LEDs) ein. Die Mechanismen, durch die Defekte Ladungsträger vernichten, sind in Materialien, die Licht bei roten oder grünen Wellenlängen emittieren, gut verstanden, eine Erklärung für diesen Verlust bei Emittern kürzerer Wellenlänge (blau oder ultraviolett) fehlt jedoch.

Forscher der Materialabteilung der UC Santa Barbara haben jedoch kürzlich die entscheidende Rolle des Auger-Meitner-Effekts entdeckt, eines Mechanismus, der es einem Elektron ermöglicht, Energie zu verlieren, indem es ein anderes Elektron in einen Zustand höherer Energie befördert.

„Es ist bekannt, dass Defekte oder Verunreinigungen – kollektiv als „Fallen“ bezeichnet – die Effizienz von LEDs und anderen elektronischen Geräten verringern“, sagte Materialprofessor Chris Van de Walle, dessen Gruppe die Forschung durchführte.

Die neue Methodik ergab, dass der durch Fallen unterstützte Auger-Meitner-Effekt zu Verlustraten führen kann, die um Größenordnungen größer sind als die, die durch andere zuvor betrachtete Mechanismen verursacht wurden, und löste damit das Rätsel, wie sich Defekte auf die Effizienz von Emittern von blauem oder UV-Licht auswirken. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Beobachtungen dieses Phänomens reichen bis in die 1950er Jahre zurück, als Forscher von Bell Labs und General Electric seine schädlichen Auswirkungen auf Transistoren beobachteten. Van de Walle erklärte, dass Elektronen an Defekten eingefangen werden können und nicht mehr in der Lage sind, ihre beabsichtigte Rolle im Gerät zu erfüllen, sei es die Verstärkung einer Ladung in einem Transistor oder die Emission von Licht durch Rekombination mit einem Loch (einem unbesetzten Zustand niedrigerer Energie) in einem LED. Es wurde angenommen, dass die bei diesem Rekombinationsprozess verlorene Energie in Form von Phononen freigesetzt wird, also Gitterschwingungen, die das Gerät aufheizen.

Van de Walles Gruppe hatte diesen Phononen-vermittelten Prozess zuvor modelliert und herausgefunden, dass er den beobachteten Effizienzverlust bei LEDs, die Licht im roten oder grünen Bereich des Spektrums emittieren, ordnungsgemäß berücksichtigt. Bei blauen oder ultravioletten LEDs versagte das Modell jedoch; Die größere Energiemenge, die die Elektronen bei diesen kürzeren Wellenlängen tragen, kann einfach nicht in Form von Phononen abgeführt werden.

„Hier kommt der Auger-Meitner-Prozess ins Spiel“, erklärte Fangzhou Zhao, Postdoktorand in Van de Walles Gruppe und leitender Forscher des Projekts. Die Forscher fanden heraus, dass das Elektron seine Energie nicht in Form von Phononen freisetzt, sondern auf ein anderes Elektron überträgt, das in einen höheren Energiezustand gebracht wird. Dieser Prozess wird oft als Auger-Effekt bezeichnet, nach Pierre Auger, der ihn 1923 beschrieb. Lise Meitner – deren viele Errungenschaften zu ihren Lebzeiten nie richtig anerkannt wurden – hatte das gleiche Phänomen jedoch bereits 1922 beschrieben.

Experimentelle Arbeiten in der Gruppe des Materialprofessors der UC Santa Barbara, James Speck, hatten zuvor vorgeschlagen, dass trap-unterstützte Auger-Meitner-Prozesse auftreten könnten; Allerdings ist es allein aufgrund von Messungen schwierig, genau zwischen verschiedenen Rekombinationskanälen zu unterscheiden. Zhao und seine Mitforscher entwickelten eine First-Principles-Methode, die – kombiniert mit modernsten Berechnungen – die entscheidende Rolle des Auger-Meitner-Prozesses endgültig belegte. Im Fall von Galliumnitrid, dem Schlüsselmaterial für kommerzielle LEDs, zeigten die Ergebnisse Fallen-unterstützte Rekombinationsraten, die mehr als eine Milliarde Mal höher waren, als wenn nur der Phonon-vermittelte Prozess berücksichtigt worden wäre. Offensichtlich wird nicht jede Falle so große Verbesserungen aufweisen; Doch mit der neuen Methodik können Forscher nun genau beurteilen, welche Defekte oder Verunreinigungen sich tatsächlich nachteilig auf die Effizienz auswirken.

„Der rechnerische Formalismus ist völlig allgemein und kann auf jeden Defekt oder jede Verunreinigung in Halbleiter- oder Isoliermaterialien angewendet werden“, sagte Mark Turiansky, ein weiterer Postdoktorand in Van de Walles Gruppe, der an dem Projekt beteiligt war. Die Forscher hoffen, dass diese Ergebnisse das Verständnis der Rekombinationsmechanismen nicht nur in Halbleiter-Lichtemittern, sondern auch in jedem Material mit großer Bandlücke, in dem Defekte die Effizienz einschränken, verbessern werden.