Kvanteprikker lyser op for fremtiden for belysning

(Phys.org) -- Med glødepærens alder falmer hurtigt, belysningsindustriens hellige gral er at udvikle en højeffektiv form for solid-state belysning, der producerer hvidt lys af høj kvalitet.

En af de få alternative teknologier, der producerer rent hvidt lys, er kvanteprikker med hvidt lys. Disse er ultrasmå fluorescerende perler af cadmiumselenid, der kan omdanne det blå lys, der produceres af en LED, til et varmt hvidt lys med et spektrum, der ligner det for glødelys. (Derimod, kompakte lysstofrør og de fleste LED'er med hvidt lys udsender en kombination af monokromatiske farver, der simulerer hvidt lys).

For syv år siden, da hvidt lys kvanteprikker ved et uheld blev opdaget i et Vanderbilt kemi laboratorium, deres effektivitet var for lav til kommercielle anvendelser, og adskillige eksperter forudsagde, at det ville være umuligt at hæve den til praktiske niveauer. I dag, imidlertid, Vanderbilt-forskere har bevist disse forudsigelser forkerte ved at rapportere, at de med succes har øget fluorescenseffektiviteten af ​​disse nanokrystaller fra et oprindeligt niveau på tre procent til så højt som 45 procent.

Potentielle kommercielle anvendelser

"Femogfyrre procent er lige så høj som effektiviteten af ​​nogle kommercielle fosforstoffer, hvilket tyder på, at kvanteprikker med hvidt lys nu kan bruges i nogle specielle belysningsapplikationer, " sagde Sandra Rosenthal, Jack og Pamela Egan Chair of Chemistry, hvem ledede forskningen, som er beskrevet online i Journal of the American Chemical Society . "Det faktum, at vi med succes har øget deres effektivitet med mere end 10 gange betyder også, at det burde være muligt at forbedre deres effektivitet yderligere."

Det generelle mål for den samlede effektivitet af belysningsenheder kaldes lyseffektivitet, og det måler mængden af ​​synligt lys (lumen) en enhed producerer pr. watt. En glødepære producerer omkring 15 lumen/watt, mens et lysstofrør udsender omkring 100 lumen/watt. Hvidt lys LED'er på markedet i øjeblikket spænder fra 28 til 93 lumen/watt.

"Vi beregner, at hvis du kombinerer vores forbedrede kvanteprikker med den mest effektive ultraviolette LED, hybridenheden ville have en lyseffektivitet på omkring 40 lumen/watt, " rapporterede James McBride, videnskabelig adjunkt i kemi, der har været involveret i forskningen fra starten. "Der er masser af plads til at forbedre effektiviteten af ​​UV-LED'er, og forbedringerne ville oversætte direkte til en højere effektivitet i hybriden."

En tilfældig opdagelse

Kvanteprikker blev opdaget i 1980. De er perler af halvledermateriale - de ting, som transistorer er lavet af - som er så små, at de har unikke elektroniske egenskaber, mellemliggende mellem dem af bulk-halvledere og individuelle molekyler. En af deres nyttige egenskaber er fluorescens, der producerer karakteristiske farver bestemt af størrelsen af ​​partiklerne. Efterhånden som nanokrystallens størrelse krymper, skifter lyset, det udsender, fra rødt til blåt. Vanderbilt-opdagelsen var, at ultrasmå kvanteprikker, indeholder kun 60 til 70 atomer, udsender hvidt i stedet for monokromatisk lys.

"Disse kvanteprikker er så små, at næsten alle atomerne er på overfladen, så emissionen af ​​hvidt lys er i sig selv et overfladefænomen, sagde Rosenthal.

En af de første metoder, som forskellige grupper brugte i forsøget på at gøre nanokrystallerne lysere, var "beskalning" - at dyrke en skal omkring dem lavet af et andet materiale, som zinksulfid. Desværre, skallerne slukkede den hvide lyseffekt og de afskallede kvanteprikker producerede kun farvet lys.

Kemikere fulgte deres næser

Efter en ledning fra noget forskning udført ved University of North Carolina, forskerne besluttede at se, om behandling af kvanteprikkerne med metalsalte ville have en lysende effekt. De bemærkede, at nogle af saltene syntes at producere en lille – 10 til 20 procent – ​​men mærkbar forbedring.

"De var acetatsalte, og de lugtede lidt af eddikesyre, " sagde McBride. "Vi vidste, at eddikesyre binder til kvanteprikkerne, så vi besluttede at prøve det."

Beslutningen om at følge deres næse viste sig at være heldig. Eddikesyrebehandlingen øgede quantum dots fluorescerende effektivitet fra otte procent til 20 procent!

Eddikesyre er et medlem af den carbocykliske syrefamilie. Så forskerne prøvede de andre medlemmer i familien. De fandt ud af, at det enkleste og mest sure medlem - myresyre, det kemikalie, som myrer bruger til at markere deres veje – virkede bedst, skubbe effektiviteten så højt som 45 procent.

Lysstyrkeforøgelsen havde en uventet bivirkning. Det flyttede toppen af ​​farvespektret af kvanteprikkerne lidt til det blå. Dette er ironisk, fordi den største klage over LED'er med hvidt lys er, at det lys, de producerer, har en ubehagelig blå nuance. Imidlertid, forskerne fastholder, at de ved, hvordan man korrigerer farvebalancen i det forstærkede lys.

Forskernes næste skridt er at teste forskellige metoder til at indkapsle de forbedrede kvanteprikker.