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科学家们制造出更好的纳米级LED

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
由国家标准与技术研究院(NIST)的科学家组成的团队开发的一种新的发光二极管(LED)设计可能是克服长期以来对光源效率的限制的关键。该概念已在实验室中用微型LED进行了演示,可实现亮度的显着提高以及产生激光的能力-所有这些特性使其在一系列大规模和小型化应用中有价值。
鳍式LED像素设计包括发光的氧化锌鳍(紫色),隔离介电材料(绿色)和金属触点(绿色上方为黄色)。图片来源:B。Nikoobakht / N. Hanacek,NIST
该团队还包括来自马里兰大学,伦斯勒理工学院和IBM托马斯·J·沃森研究中心的科学家,并在今天发表在同行评审的《科学进展》杂志上的一篇论文中详细介绍了其工作。与传统的亚微米级微型LED设计相比,他们的设备的亮度提高了100到1,000倍。
 
NIST的构思新设计的Babak Nikoobakht说:“这是制造LED的新架构。“我们使用的材料与传统LED相同。区别在于它们的形状。”
 
LED已经存在了几十年,但是高亮度LED的开发获得了诺贝尔奖,并开创了照明的新纪元。但是,即使是现代LED,其局限性也使他们的设计师感到沮丧。在某种程度上,向LED提供更多的电力会使它的亮度更高,但很快亮度就会下降,从而使LED效率极低。这个行业被业界称为“效率下降”,这代表了LED在通信技术到杀毒等众多有前途的应用中的使用。
 
尽管他们新颖的LED设计克服了效率下降的问题,但研究人员最初并未着手解决这一问题。他们的主要目标是创建一种微型LED,用于非常小的应用,例如NIST和其他地方的科学家所追求的芯片实验室技术。
 
该团队针对发光的LED进行了全新设计的实验:与常规LED所采用的平面设计不同,研究人员使用长而细的氧化锌线束(称为翅片)构建了光源。(长而细是相对的术语:每个鳍的长度仅约5微米,在人的平均头发宽度上延伸约十分之一。)它们的鳍阵列看起来像一个细小的梳子,可以延伸到1英寸大的区域。厘米以上。
 
尼古巴赫特说:“我们看到了鳍的机会,因为我认为鳍的细长形状和较大的侧面可以接收更多的电流。” “起初,我们只是想衡量新设计需要花多少钱。我们开始增加电流,并认为我们会一直驱动直到烧毁,但它只会变得越来越亮。”
鳍状LED的梳状阵列,其中一些发光(尖端处出现亮点)。图片来源:B。Nikoobakht / NIST
他们新颖的设计在跨越紫罗兰色和紫外线之间的波长上发出了耀眼的光芒,产生的功率是典型微型LED的100到1,000倍。Nikoobakht将结果描述为重要的基本发现。
 
 
 
他说:“典型的面积小于平方微米的LED发光功率约为22纳瓦,但这种发光二极管最多可产生20毫瓦。” “这表明该设计可以克服LED的效率下降,从而使光源更明亮。”
 
没有参与该项目的南卡罗来纳大学电气工程学教授格里高里·西明(Grigory Simin)说:“这是我见过的最有效的解决方案之一。” “社区一直在努力提高LED效率,而其他方法在应用于亚微米波长的LED时经常遇到技术问题。这种方法很好地完成了工作。”
 
随着电流的增加,该团队又发现了一个令人惊讶的发现。当LED首先在一定波长范围内发光时,其相对较宽的发射最终会缩小为深紫色的两个波长。解释变得很明确:他们的微型LED变成了微型激光。
 
Nikoobakht说:“将LED转换为激光需要花费很大的精力。通常需要将LED耦合到谐振腔,谐振腔可以使光弹回以形成激光器。” “看来鳍设计可以自己完成全部工作,而无需添加另一个空腔。”
 
对于芯片规模的应用而言,微小的激光不仅对于化学感应至关重要,而且对于下一代手持式通讯产品,高清显示器和消毒设备而言也至关重要。
 
尼古巴赫特说:“作为重要的组成部分,它具有很大的潜力。” “虽然这不是人们制造的最小的激光器,但它是一种非常明亮的激光器。不存在效率下降会使其变得有用。”

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