Atomfejl skaber overraskende, højeffektive UV LED-materialer

Lysemitterende dioder (LED'er) kræver traditionelt atomisk perfektion for at optimere effektiviteten. På nanoskalaen, hvor strukturer spænder over en milliardtedel af en meter, defekter bør undgås for enhver pris - indtil nu.

Et team af forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory og Stony Brook University har opdaget, at subtile ufuldkommenheder dramatisk kan øge effektiviteten og ultraviolet (UV) lysoutput af visse LED-materialer.

"Resultaterne er overraskende og fuldstændig kontraintuitive, " sagde Brookhaven Lab-forsker Mingzhao Liu, seniorforfatteren på undersøgelsen. "Disse næsten umærkelige fejl, som viste sig at mangle ilt i overfladen af ​​zinkoxid nanotråde, faktisk forbedre ydeevnen. Denne åbenbaring kan inspirere til nye nanomateriale-design langt ud over LED'er, som ellers ville være blevet refleksivt afvist."

Resultaterne, offentliggjort online 5. december, 2017, i Anvendt fysik bogstaver , hjælpe med at bringe disse zinkoxidstrukturer et skridt tættere på brugen som UV-kilde i praktiske applikationer, inklusive medicinske sensorer, katalysatorer, og endda husholdningsbelysning.

"Den nuværende LED-standard for UV-lys er galliumnitrid, som fungerer smukt, men både er dyrt og langt fra er miljøvenligt, " sagde Brookhaven videnskabsmand og studie medforfatter Dario Stacchiola. "Dette 'uperfekte' zinkoxid overvinder disse problemer."

Forskerne udnyttede den enestående instrumentering og ekspertise tilgængelig på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), både DOE Office of Science brugerfaciliteter.

"At have evnen til at udforske materialer fra syntese til kompleks karakterisering er en unik fordel ved Brookhaven Lab, " sagde Stacchiola. "Faktisk, puslespillet med zinkoxid-nanowire-emissionseffektivitet kunne kun løses, når nye instrumenter kom online på NSLS-II."

Lys født på kanten

De højtydende LED'er udnytter et fænomen kaldet near band edge (NBE) fotoluminescens, der findes i halvledende materialer.

"Når elektroner i ledningsbåndet rekombinerer med huller i valensbåndet - krydser kanten af ​​det såkaldte båndgab - kan de udsende lys, " sagde Liu. "Optimering af den effekt, specielt til UV-stråling, var vores primære mål."

Forskerne brugte en relativt simpel lavtemperatur-løsningsbaseret tilgang til at dyrke nanotråde sammensat af zinkoxidkrystaller. De påførte derefter oxygenplasma for at rense de endelige nanotrådsstrukturer.

"Tilfældigt, under en prøve, vi udførte dette plasmatrin under meget lavere tryk end normalt – og resultaterne var serendipitøse og chokerende, " sagde Liu. "Denne lavtryks plasmabehandling er den rigtige game changer her."

De uventede NBE-emissioner har undret videnskabsmænd i årevis, men efterforskningsværktøjerne var endeligt avancerede nok til at kaste lys over mysteriet.

Klart lys og næste generations nanoteknologi

Nøglen til gennembruddet kom gennem stærk synergi mellem to beamlines på NSLS-II. Data fra beamline 8-ID - en af ​​de mest intense røntgenabsorptionskilder i verden - kombineret med det første sæt resultater fra en ny, state-of-the-art røntgenfotoemissionselektronmikroskopi (XPEEM) endestation ved beamline 21-ID-2. XPEEM-slutstationen drives som et partnerskab mellem CFN og NSLS-II.

Beamline 8-ID afslørede mængden af ​​røntgenabsorption, som derefter blev brugt til at udlede den oxidative tilstand af prøverne. Målingerne ved beamline 21-ID-2 komplementerede dette arbejde, bombardere prøven med røntgenstråler for at excitere elektroner og udsende fotoner i henhold til prøvens båndniveauer. Ved at analysere den energi, båndpositionerne – og deres rolle i lysudsendelsen – kunne bestemmes med høj præcision.

"Vi fandt ud af, at ledige iltområder på overfladen skaber dipoler, der begrænser ladningsbærere til kernen af ​​nanotråden, " sagde studie medforfatter og NSLS-II videnskabsmand Klaus Attenkofer. "Disse ledige stillinger ser ud til at drive den meget effektive og rene lysemission. Og fordi vi ved præcis, hvad der adskiller denne zinkoxidstruktur, vi ved, hvordan man bygger videre på det og udforsker lignende materialer."

Den nye synteseteknik muliggør yderligere strukturer, såsom høj kvalitet, titaniumoxidlag, som kunne være ideel til fotokatalysatorer. Et sådant materiale kunne effektivt fungere som en vandsplitter, leverer brintbrændstof til en lang række vedvarende energiteknologier. Fremtidige eksperimenter vil undersøge denne mulighed og endda se de katalytiske reaktioner udfolde sig i realtid.

"Den stærke synergi mellem CFN og NSLS-II gør Brookhaven Lab til et unikt sted at forske i nanomaterialer, " sagde Chuck Black, direktøren for CFN. "Vi arbejder tæt sammen, de to faciliteter udvikler og tilbyder nye forskningskapaciteter til gavn for forskere verden over. Disse ledende værktøjer er afgørende for at accelerere nanovidenskabelig forskning, som vil muliggøre morgendagens avancerede materialer."