Forskere demonstrerer den første farvejusterbare og første grafenbaserede LED

(Phys.org)—I øjeblikket, alle lysemitterende dioder (LED'er) udsender lys af kun én farve, som er foruddefineret under fremstillingen. Indtil nu, justering af farven på lys produceret af en enkelt LED er aldrig blevet realiseret, trods mange forsøg.

Så det er ret bemærkelsesværdigt, at i en ny undersøgelse, Forskere har demonstreret en LED, der ikke kun kan indstilles til at udsende forskellige farver af lys, men kan gøre det på tværs af næsten hele det synlige spektrum:fra blå (450 nm bølgelængde) til rød (750 nm bølgelængde) - stort set alle farver undtagen de mørkeste blå og violer.

Nøglen til at opnå den farvejusterbare LED er at lave den af ​​grafen - det samme materiale, der har ført til banebrydende forskning på en række områder, fra batterier til solceller til halvledere. På trods af grafens succes på disse områder, grafen-baserede lysdioder er aldrig blevet realiseret før nu, gør den nye enhed til den første grafen-baserede LED nogensinde udover at være den første farvejusterbare LED.

Anvendelser af den nye LED omfatter høj kvalitet, farvejusterbare LED-skærme til tv og mobile enheder, farvejusterbare LED lysarmaturer, og potentialet for en række fremtidige grafen-baserede fotoniske enheder.

Blanding af to former for grafen

Forskerne, ledet af professor Tian-Ling Ren ved Tsinghua University i Beijing, lavet det lysemitterende materiale fra grænsefladen mellem to forskellige former for grafen. Disse former er grafenoxid (GO), som er fremstillet af billig grafit, og reduceret grafenoxid (rGO), som er en mere uberørt form for GO.

Ligger ved grænsefladen mellem GO og rGO er en speciel type delvist reduceret GO, der har optisk, fysisk, og kemiske egenskaber, der ligger et sted imellem dem for GO og rGO. Den vigtigste "blandede" egenskab ved grænsefladelaget er, at det har en række diskrete energiniveauer, som i sidste ende muliggør udsendelse af lys ved mange forskellige energier, eller farver.

Forekomsten af ​​denne ejendom er især interessant, fordi på egen hånd, hverken GO eller rGO (eller nogen anden kendt form for grafen, for den sags skyld) kan udsende ethvert lys overhovedet. Dette skyldes, at ingen af ​​materialet har den rigtige størrelse "båndgab, " som er afstanden mellem to energibånd, som elektroner skal springe over for at lede elektricitet eller udsende lys. Mens GO har et ekstremt stort båndgab, rGO har et båndgab på nul.

I stedet for at have et bånd mellem GO og rGO, den delvist reducerede grænseflade GO har faktisk mange forskellige mellemliggende båndgab som et resultat af, hvordan blandingen opstår - ikke som en jævn overgang, men i form af rGO nanoclusters indlejret i GO laget. Fordi disse rGO nanoclusters reduceres i varierende grad ved grænsefladen, de udviser variationer i deres energiniveauer og, følgelig, i farven af ​​udsendt lys. Disse energiniveauer kan let moduleres ved at ændre den påførte spænding eller ved kemisk doping, som selektivt stimulerer en enkelt farve af luminescens og muliggør justering af LED's farve.

"Vi fandt ud af, at en kombination af GO og rGO kan skabe et ledende og bredt båndgab-materiale, " fortalte Ren Phys.org . "Det er almindeligt kendt, at grafen ikke har et båndgab. Derfor var vi alle overraskede over, at vores GO/rGO-interface (et grafen-baseret system) faktisk kan være selvlysende."

Kommercielle forventninger

Det faktum, at dette er den første observation af luminescens i et grafen-baseret system, baner vejen mod at bruge grafen som lyskilde i fremtidige grafen-baserede fotoniske enheder. En farvejusterbar LED har også været meget ønsket til højkvalitets LED-skærme og lysarmaturer. Fordi farven ændrer sig som reaktion på visse kemikalier, enhederne kunne også have sensorapplikationer.

"Graphene-baseret, farvejusterbare LED'er kan muliggøre realisering af fleksible skærmteknologier, der kan dække hele det synlige spektrum, " sagde Ren. "Konventionelle LED'er udsender kun en fast bølgelængde af lys, og displayteknologier kræver derfor en blanding af rødt, grøn, og blå lysdioder. Hvis en grafen-baseret, farvejusterbar LED bruges, et fuldfarvet og fleksibelt display kan realiseres på en enkel måde. En bred vifte af forbruger- og medicinsk elektronik kan drage fordel af en sådan teknologi."

I deres arbejde, forskerne designet, fremstillet, og testede 20 grafen-baserede lysdioder. Samlet set, enhederne viste god lysstyrke, men lav effektivitet, som de planlægger at forbedre. En anden ulempe ved den nuværende prototype er en meget kort emissionslevetid på mindre end et minut eller deromkring under omgivende forhold og omkring 2 timer i vakuum. Forskerne tilskriver den korte levetid til oxidation i luften og forudsiger, at beskyttende belægninger kan forbedre dette område.

På trods af plads til forbedringer, forskerne forventer, at de grafenbaserede LED'er har opmuntrende kommercielle udsigter på grund af flere fordele, inklusive deres præcise farvejustering, kompakt struktur, og ligefrem fremstilling.

"Effektiviteten af ​​grafen LED kan forbedres yderligere, " sagde Ren. "En måde at opnå dette på ville være ved at bruge n-type [halvleder] materialer kombineret med grafen. Den korte levetid kan også forbedres ved vakuumforsegling. Kommercialisering kan forventes om nogle år, da vores metode er enkel og billig. Som med enhver anden teknologisk udvikling, der kommer ud af et laboratorium, der findes udfordringer; imidlertid, vi tror på, at disse udfordringer kan overvindes i den nærmeste fremtid. Vi mener, at grafen-baseret, farvejusterbare LED'er er en lovende teknologi til fleksible skærme."

© 2015 Phys.org