Nanokrystal infrarøde LED'er kan laves billigt

(Phys.org) -- Lysemitterende dioder ved infrarøde bølgelængder er magien bag sådanne ting som nattesyn og optisk kommunikation, inklusive streamingdata, der kommer gennem Netflix. Cornell-forskere har avanceret processen med at gøre sådanne lysdioder billigere og nemmere at fremstille, hvilket kunne føre til ultratynde LED'er malet på silicium for at erstatte computerledninger med lysbølger.

Forskningsgruppen ledet af Frank Wise, professor i anvendt og teknisk fysik, rapporteret online 6. maj i journalen Natur nanoteknologi at de har brugt løsningskemi til at lave infrarøde LED'er af nanokrystaller, almindeligvis kendt som kvantepunkter, ud af bly sulfid.

Deres proces, som involverer tuning af udsendte bølgelængder baseret på kontrol af størrelsen af ​​nanokrystallerne, kunne konkurrere med den effektive, men dyrt, praksis med at dyrke halvledermaterialer ved hjælp af atom-for-atom-processen kendt som epitaksi. Cornell nanokrystal LED'erne er omtrent lige så lyse som epitaksialt dyrkede LED'er, men de blev lavet ved hjælp af lav temperatur, løsningsbaseret behandling, der er meget billigere.

Infrarøde lysdioder er normalt lavet af krystaller af sådanne materialer som indium galliumarsenid, og de kan ikke dyrkes på silicium på grund af deres forskellige krystalstrukturer, Wise forklarede. Hidtil har der ikke været nogen naturlig måde at fremstille lysemitterende materialer på silicium.

At få elektroner til at strømme gennem nanokrystaller er en stor udfordring, sagde Wise. Cornell-holdet gjorde det med noget smart kemi:De ændrede afstanden mellem nanokrystallerne ved at ændre molekylerne på deres overflader. Længere kulstofkæder gav større afstand, hvilket dramatisk påvirkede effektiviteten af ​​lysemissioner. At ændre afstanden mellem nanokrystaller med en halv nanometer gjorde enhederne 100 gange mere effektive, sagde Wise. Forskerne fandt de optimale afstande mellem nanokrystaller for at få LED'erne til at udsende det klareste lys. De målte disse afstande ved hjælp af røntgenspredningsteknologi leveret af Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS).

Fordi de Cornell-udviklede LED'er blev lavet gennem løsningsbehandling, de kan nemmere integreres med andre materialer. De kan føre til sådanne gennembrud som evnen til at "male" lysdioderne på silicium, for eksempel. En sådan applikation ville have indflydelse i optiske forbindelser, udskiftning af elektriske ledninger, der nu er en flaskehals for hastigheden på den moderne computerchip. Kommunikation mellem chips med en lysbølge, frem for en ledning, forventes at revolutionere informationsbehandlingen.

De nanokrystaller, forskerne brugte, har vakt interesse blandt folk, der fremstiller solceller, også. En solcelle absorberer lys og udsender elektroner som elektrisk strøm, som kan levere strøm. Blysulfid og blyselenid nanokrystaller er førende kandidater til at erstatte cadmiumtellurid og andre materialer, der findes i kommercielle solceller i dag.

Avisens medforfattere er Tobias Hanrath, assisterende professor i kemi og biomolekylær teknik, og George Malliaras, tidligere lektor i materialevidenskab og teknik ved Cornell; samt tidligere postdoc -associeret Liangfeng Sun; kandidatstuderende Joshua J. Choi, David Stachnik og Adam Bartnik (nu ansat ved Wilson Laboratory); og postdoc Byung-Ryool Hyun.

Arbejdet blev støttet af National Science Foundation, KAUST-Cornell Center for Energi og Bæredygtighed, New York State Foundation for Science, Teknologi og innovation og SKAK.