Natuurkundigen ontwikkelen op nanodraad gebaseerde leds met 5 keer hogere lichtintensiteit

• Onderzoekers gebruiken nanodraden en een speciaal type omhulsel om ultraviolette lichtgevende diodes te bouwen.
• Ze produceren een 5 keer hogere lichtintensiteit dan LED's op basis van een conventioneel schaalontwerp.

Ultraviolette light-emitting diodes (UV-LED's) worden gebruikt in een toenemend aantal toepassingen zoals waterzuivering, spectroscopie, uitharding van fotopolymeren en medische desinfectie.

Diepe UV-LED's op basis van nanodraden hebben de laatste tijd veel aandacht gekregen, omdat ze nieuwe functionaliteiten kunnen bieden die verband houden met hun nanoschaalgrootte en discrete aard. Enkele nanodraad-LED's kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om nieuwe systemen te bouwen voor optische lithografie met subdiffractie, die kunnen worden opgeschaald tot pixelarrays voor lithografie op waferniveau.

Onlangs hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology een speciaal type omhulsel gebruikt om op nanodraad gebaseerde UV-LED's te ontwikkelen die een 5 keer hogere lichtintensiteit produceren dan LED's op basis van een conventioneel omhulselontwerp.

Hoe hebben ze het gedaan?

De laatste tijd heeft het team gewerkt aan nanodraadkernen gemaakt van met silicium gedoteerd galliumnitraat (bevat extra elektronen) omsloten door omhulsels gemaakt van met magnesium gedoteerd galliumnitraat (bevat een overschot aan 'gaten' voor ontbrekende elektronen). Wanneer een gat versmelt met een elektron, wordt een aanzienlijke hoeveelheid energie uitgestoten in de vorm van licht; dit proces wordt elektroluminescentie genoemd.

In 2017 onthulden ze Gallium Nitraat-LED's waarbij elektronen in de schaallaag werden geïnjecteerd om te versmelten met gaten en uiteindelijk licht met hoge intensiteit te produceren. De nieuwe LED's werken op een vergelijkbare manier, behalve dat onderzoekers deze keer een kleine hoeveelheid aluminium aan de schaallaag hebben toegevoegd.

Referentie:Nanotechnologie | doi:10.1088/1361-6528/ab07ed | NIST

Het aluminium minimaliseert de verliezen die optreden als gevolg van overloop van elektronen en reabsorptie van licht. Meer specifiek brengt het een asymmetrie binnen de elektrische stroom, waardoor wordt voorkomen dat elektronen in de schillaag terechtkomen. Dit beperkt de gaten en elektronen tot de kern van de nanodraad, wat resulteert in een vijf keer hogere lichtintensiteit.

Nanodraad-gebaseerde LED | Het opnemen van een kleine hoeveelheid aluminium in de schillaag (zwart) beperkt gaten en elektronen in de kern van de nanodraad (veelkleurig gebied), waardoor intens licht wordt gegenereerd | Met dank aan onderzoekers 

De onderzoekers gebruikten een zogenaamde 'p-i-n'-structuur om leds te maken van nanodraden. De structuur vertegenwoordigt een ontwerp met drie lagen voor het injecteren van elektronen en gaten in de nanodraad.

Hoe groter de diameter van een nanodraad, hoe meer aluminium in gefabriceerde structuren kan worden verwerkt. De in dit onderzoek ontwikkelde nanodraad had een lengte van 440 nanometer en een schildikte van 40 nanometer. De resulterende LED's waren bijna 10x groter.

De technologie implementeren

Het team heeft al een patent op een apparaat dat LED integreert met microscopische microscopie voor het scannen van microgolven voor het veilig, contactloos testen van halfgeleider nanostructuren. Het kan ook worden gebruikt om de celstructuur en het ontvouwen van eiwitten te bestuderen.

Hoewel de structuren die in dit werk zijn onderzocht, gericht waren op de geschatte samenstelling die nodig is voor opsluiting van dragers, kan een hogere fractie aluminium onderzoekers helpen bij het configureren van de golflengte en het beheersen van emissie / polarisatie in de galliumnitraatkern. Dat blijft echter een onderwerp van toekomstig werk.

Lezen:nieuwe elektro-optische laser zendt 30 miljard pulsen per seconde uit

Momenteel werken onderzoekers samen met twee particuliere organisaties om op nanodraad gebaseerde micro-LED's te ontwikkelen. Een van hen heeft ingestemd met het bouwen van doterings- en structurele karakteriseringstechnieken. Het team zal binnenkort de prototype LED-tools demonstreren.