Zinkoxidmikrotråde forbedrer lysemitterende dioders ydeevne

Forskere har brugt zinkoxidmikrotråde til markant at forbedre effektiviteten, hvormed galliumnitrid lysemitterende dioder (LED) omdanner elektricitet til ultraviolet lys. Enhederne menes at være de første LED'er, hvis ydeevne er blevet forbedret ved at skabe en elektrisk ladning i et piezoelektrisk materiale ved hjælp af den piezo-fototroniske effekt.

Ved at påføre mekanisk belastning af mikrotrådene, forskere ved Georgia Institute of Technology skabte et piezoelektrisk potentiale i ledningerne, og det potentiale blev brugt til at tune ladningstransporten og forbedre carrier-injektion i LED'erne. Denne kontrol af en optoelektronisk enhed med piezoelektrisk potentiale, kendt som piezo-fototronik, repræsenterer endnu et eksempel på, hvordan materialer, der har både piezoelektriske og halvledende egenskaber, kan styres mekanisk.

"Ved at bruge denne effekt, vi kan øge den eksterne effektivitet af disse enheder med en faktor på mere end fire gange, op til otte procent, " sagde Zhong Lin Wang, en Regents-professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Fra et praktisk synspunkt, denne nye effekt kan have mange konsekvenser for elektro-optiske processer – herunder forbedringer i energieffektiviteten af ​​belysningsenheder."

Detaljer om forskningen blev rapporteret i 14. september-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver . Forskningen blev sponsoreret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og US Department of Energy (DOE). Ud over Wang, forskerholdet omfattede hovedsageligt Qing Yang, en gæsteforsker ved Georgia Tech fra Department of Optical Engineering ved Zhejiang University i Kina.

På grund af polariseringen af ​​ioner i krystallerne af piezoelektriske materialer såsom zinkoxid, mekanisk komprimering eller på anden måde belastende strukturer lavet af materialerne skaber et piezoelektrisk potentiale - en elektrisk ladning. I galliumnitrid LED'erne, forskerne brugte det lokale piezoelektriske potentiale til at justere ladningstransporten ved p-n-krydset.

Effekten var at øge hastigheden, hvormed elektroner og huller rekombinerede for at generere fotoner, forbedring af enhedens eksterne effektivitet gennem forbedret lysudsendelse og højere injektionsstrøm. "Effekten af ​​piezopotentialet på ladningsbærernes transportadfærd er betydelig på grund af dens modifikation af båndstrukturen ved krydset, " forklarede Wang.

Zinkoxidtrådene danner "n"-komponenten af ​​en p-n-forbindelse, med den tynde galliumnitridfilm, der giver "p"-komponenten. Frie bærere blev fanget ved dette grænsefladeområde i en kanal skabt af den piezoelektriske ladning dannet ved at komprimere ledningerne.

Traditionelle LED-designs bruger strukturer såsom kvantebrønde til at fange elektroner og huller, som skal forblive tæt sammen længe nok til at kunne kombineres igen. Jo længere elektroner og huller kan holdes i nærheden af ​​hinanden, jo højere effektivitet vil LED-enheden i sidste ende være.

Enhederne produceret af Georgia Tech-teamet øgede deres emissionsintensitet med en faktor 17 og øgede injektionsstrømmen med en faktor på fire, når der blev påført en trykbelastning på 0,093 procent på zinkoxidtråden. Det forbedrede konverteringseffektiviteten med så meget som en faktor på 4,25.

LED'erne fremstillet af forskerholdet producerede emissioner ved ultraviolette frekvenser (ca. 390 nanometer), men Wang mener, at frekvenserne kan udvides til det synlige lysområde for en række optoelektroniske enheder. "Disse enheder er vigtige for nutidens fokus på grøn og vedvarende energiteknologi, " han sagde.

I de eksperimentelle anordninger, en enkelt zinkoxid mikro/nanowire LED blev fremstillet ved at manipulere en ledning på et nedgravet substrat. En magnesiumdoteret galliumnitridfilm blev dyrket epitaksialt på et safirsubstrat ved metalorganisk kemisk dampaflejring, og blev brugt til at danne en p-n-forbindelse med zinkoxidtråden.

Et safirsubstrat blev brugt som katode, der blev placeret side om side med galliumnitridsubstratet med et velkontrolleret mellemrum. Tråden blev anbragt på tværs af mellemrummet i tæt kontakt med galliumnitridet. Gennemsigtig polystyrentape blev brugt til at dække nanotråden. En kraft blev derefter påført båndet af en aluminiumoxidstang forbundet til et piezo nanopositioneringstrin, skaber spændingen i ledningen.

Forskerne undersøgte derefter ændringen i lysemission produceret ved at variere mængden af ​​belastning i 20 forskellige enheder. Halvdelen af ​​enhederne viste øget effektivitet, mens de andre - fremstillet med den modsatte orientering af mikrotrådene - viste et fald. This difference was due to the reversal in the sign of the piezopotential because of the switch of the microwire orientation from +c to –c.

High-efficiency ultraviolet emitters are needed for applications in chemical, biologiske, rumfart, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

"This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."