缺陷往往会对器件性能产生影响，例如发光二极管（LED）。在发射红光或绿光的材料中，缺陷导致载流子湮灭的机制已被深入研究，但在短波长（蓝光或紫外线）发射体中，这种损失的机制仍然不够明确。
最近，加州大学圣巴巴拉分校材料系的研究人员发现了奥格-迈特纳效应的关键作用，这一机制使得一个电子能够通过将另一个电子推向更高的能量状态而实现能量损失。
“众所周知，缺陷或杂质——统称为‘陷阱’——会降低LED及其他电子设备的效率，”材料学教授克里斯·范·德·瓦尔（Chris Van de Walle）表示，他的团队进行了这项研究。
新方法表明，阱辅助的奥格-迈特纳效应可能导致的能量损失率比之前考虑的其他机制高出几个数量级，从而为理解缺陷如何影响蓝光或紫外光发射器的效率提供了新的视角。研究结果已发表在《物理评论快报》上。
这一现象的观察可以追溯到20世纪50年代，当时贝尔实验室和通用电气的研究人员注意到它对晶体管的负面影响。Van de Walle解释说，电子可能会被困在缺陷中，无法在器件中发挥其预期的作用，无论是放大晶体管中的电荷，还是通过与LED中的空穴（未占据的低能态）重新组合而发光。在这个重组过程中损失的能量被假设以声子的形式释放，即加热设备的晶格振动。
Van de Walle的团队之前对声子介导的过程进行了建模，并发现其结果与在光谱的红色或绿色区域发光的LED中观察到的效率损失相符。然而，对于蓝色或紫外线LED，该模型失效；这些波长较短的电子所携带的大量能量无法以声子的形式消散。
“这就是奥格-迈特纳过程的应用场景，”Van de Walle团队的博士后研究员、该项目的首席研究员赵方舟解释道。研究人员发现，电子并不是以声子的形式释放能量，而是将其能量转移给另一个电子，后者被踢到更高的能量状态。这个过程通常被称为俄歇效应，以皮埃尔·奥格的名字命名，他在1923年首次报告了这一现象。然而，莉莎·迈特纳的许多成就至今未得到应有的认可，她在1922年就已描述了同样的现象。
加州大学圣巴巴拉分校材料教授詹姆斯·斯佩克（James Speck）小组的实验工作早前已提出，陷阱辅助的奥格-迈特纳过程可能会发生；然而，仅凭测量很难严格区分不同的重组通道。赵和他的合作研究人员开发了一种第一性原理方法，结合尖端的计算，最终确认了奥格-迈特纳过程的关键作用。在商业LED中使用的关键材料氮化镓的情况下，结果显示陷阱辅助重组率比仅考虑声子介导过程高出10亿倍以上。显然，并不是每个陷阱都会显示出如此巨大的增强；但有了新的方法，研究人员现在可以准确评估哪些缺陷或杂质实际上对效率有害。
“计算方法是完全通用的，可以应用于半导体或绝缘材料中的任何缺陷或杂质，”范·德·瓦尔小组的另一位博士后研究员马克·图里安斯基（Mark Turiansky）表示，他参与了这个项目。研究人员希望这些结果不仅能增加对半导体光发射器重组机制的理解，还能加深对任何缺陷限制效率的宽带隙材料重组机制的理解。
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