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更亮更小的光:科学家制造更好的纳米级LED

发布时间: 2020-08-20 13:41:30   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

由来自National Institute of Standards and Technology (NIST)的一个研究团队设计出了一种新的的发光二极管(LED),这项新设计可能是突破长期存在发光效率局限性的关键。实验结果表明,其发光亮度大幅提高以能够产生激光的能力,所有这些特性都使其在一系列大规模和微型应用中具有很大的实用价值。其研究成果发表在近期《Science Advances》杂志上。

文章详细介绍了器件的工作原理,他们的器件发光亮度比传统的微型亚微米尺寸 LED提高了100 1000 倍。NISTBabak Nikobakht构思了这项新的设计,他说:“这是制造LED的新架构,我们使用的材料与传统 LED 相同,区别在于我们设计的形状不一样。”

LED 已经出现了数十年,又因为超亮LED的进展赢得了诺贝尔奖而加速了一个照明发展的新时代。但是,更为现代的LED存在有一个令设计者棘手的限制。上升到这一关键点,那就是,给LED注入更多的电能是可以让其更明亮,但其亮度却会很快地下降,从而导致LED高度低效率化。这个问题被业界称为“量子效率下降”,它阻止了LED运用在一些有前景的应用中,比如从通信技术到杀菌消毒,即使他们的新颖LED设计克服了效率急剧下降的问题,研究人员们最初也不是奔着解决这一问题的目标去的。他们的主要目标是创建一个微型LED,把它用于微型化的应用中,比如NIST和其他机构的科学家正在研究芯片上的实验室技术。

.  LED鳍片设计:包括发光氧化锌鳍片(紫色),绝缘介质材料(绿色)

研究小组尝试对LED发光部分做一个全新设计,这个设计与传统LED中使用的二维平面设计不同,研究人员用长而薄的氧化锌链构建了光源,这些氧化锌链被称为鳍片。(每个鳍的长度只有5微米长左右,伸展相当于约十分之一的人体头发的平均宽度。)他们的鳍片排列看起来像一个小梳子,可以扩展到1厘米或更广的区域。

“我们在鳍片中看到了一个机会,即我们认为拉长形状以形成大的侧表面有可能会接收更大的电流。” Nikoobakht说到。“起初我们只是期望去测量新的设计可以达到多高的电流。所以我们就不断地增大电流,想象着LED直到被烧坏,但LED却只是保持着不断地增加亮度。”他们的新颖设计在紫外光到深紫光波长范围内发光非常明亮,产生大约1001000倍于传统的微型LED的发光功率。Nikoobakht 将这一结果定义为发现一次重大的基本原理。他说:“一个面积小于一平方微米传统的LED能产生大约22纳瓦的功率,但这种LED可以产生高达20微瓦的功率。它表明该设计可以克服关于LED量子效率下降的问题,从而制造出更亮的光源。”

来自University of South Carolina电子工程学教授Grigory Simin 并没有参与这项研究,他评论说:“它是我见过最有效的解决方案之一,多年来这项领域的研究人员一直在努力提高 LED 效率。其它方法在应用于亚微米波长的 LED 经常会遇到技术难题,但这种方法被证明是有效可行的。”

研究人员在增加驱动电流时又有惊人的发现,虽然LED最初在一定波长范围内工作,但是随后宽波长的发光最终变成了在紫外光波段两个窄波长的强发光。很明显,这个微型的LED变成了一个微型激光。Nikoobakht 说:“将 LED 转换为激光器需要付出巨大的努力,它通常需要将 LED 耦合到谐振腔中,使光线在谐振腔里面不停的反射来产生激光,鳍片设计可以自己完成光谐振的工作,从而无需增加另一个谐振腔。” 微型激光对芯片级的应用非常重要,不仅仅可以应用于化学传感器,而且对于下一代手持通信产品、高清显示器和卫生消毒方面也至关重要。Nikoobakht说:“它在发光领域非常有潜力成为一个重要的组成部分。虽然这不是人们制造的最小的激光器,但是它非常明亮。由于量子效率下降问题得到了解决,它会有很大的应用前景。”

 

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