Nanopartikler kunne anspore bedre lysdioder, usynlighedskapper

På et fremskridt, der kunne øge effektiviteten af ​​LED -belysning med 50 procent og endda bane vejen for usynlige tilsløringsenheder, et team af forskere ved University of Michigan har udviklet en ny teknik, der peber metalliske nanopartikler til halvledere.

Det er den første teknik, der billigt kan dyrke metal nanopartikler både på og under overfladen af ​​halvledere. Processen tilføjer praktisk talt ingen omkostninger under fremstillingen og dens forbedrede effektivitet kan give producenterne mulighed for at bruge færre halvledere i færdige produkter, gør dem billigere.

Metal nanopartiklerne kan øge effektiviteten af ​​lysdioder på flere måder. De kan fungere som små antenner, der ændrer og omdirigerer elektriciteten, der løber gennem halvlederen, gør mere af det til lys. De kan også hjælpe med at reflektere lys ud af enheden, forhindrer den i at blive fanget inde og spildt.

Processen kan bruges med galliumnitrid, der bruges i LED -belysning og kan også øge effektiviteten i andre halvlederprodukter, herunder solceller. Det er detaljeret i en undersøgelse offentliggjort i Journal of Applied Physics .

"Dette er en problemfri tilføjelse til fremstillingsprocessen, og det er det, der gør det så spændende, "sagde Rachel Goldman, U-professor i materialevidenskab og teknik, og fysik. "Evnen til at lave 3D-strukturer med disse nanopartikler hele vejen igennem åbner mange muligheder."

Den centrale innovation

Ideen om at tilføje nanopartikler for at øge LED -effektiviteten er ikke ny. Men tidligere bestræbelser på at indarbejde dem har været upraktiske for storstilet fremstilling. De fokuserede på dyre metaller som sølv, guld og platin. Ud over, partiklernes størrelse og afstand skal være meget præcis; dette krævede yderligere og dyre fremstillingstrin. Desuden, der var ingen omkostningseffektiv måde at inkorporere partikler under overfladen.

Goldmans team opdagede en enklere måde, der let integreres med molekylær stråle -epitaxy -processen, der bruges til at lave halvledere. Molekylær stråle epitaxy sprøjter flere lag af metalliske elementer på en wafer. Dette skaber præcis de rigtige ledende egenskaber til et givet formål.

UM-forskerne påførte en ionstråle mellem disse lag-et trin, der skubber metal ud af halvlederpladen og ud på overfladen. Metallet danner nanoskala partikler, der tjener samme formål som de dyre guld- og platinpletter i tidligere forskning. Deres størrelse og placering kan styres præcist ved at variere vinklen og intensiteten af ​​ionstrålen. Og påføring af ionstrålen igen og igen mellem hvert lag skaber en halvleder med nanopartiklerne spredt overalt.

"Hvis du omhyggeligt skræddersyr størrelsen og afstanden mellem nanopartikler og hvor dybt de er indlejret, du kan finde et sødt sted, der øger lysemissionerne, "sagde Myungkoo Kang, en tidligere kandidatstuderende i Goldmans laboratorium og første forfatter på undersøgelsen. "Denne proces giver os en meget enklere og billigere måde at gøre det på."

Forskere har i årevis vidst, at metalliske partikler kan samle sig på overfladen af ​​halvledere under fremstillingen. Men de blev altid betragtet som en gene, noget, der skete, da blandingen af ​​elementer var forkert, eller timingen var slukket.

"Fra de meget tidlige dage med halvlederfremstilling, målet var altid at sprøjte et glat lag af elementer på overfladen. Hvis elementerne dannede partikler i stedet, det blev betragtet som en fejl, "Goldman sagde." Men vi indså, at disse 'fejl' ligner meget de partikler, som producenterne har forsøgt så hårdt at indarbejde i LED'er. Så vi fandt ud af en måde at lave limonade af citroner på. "

Mod usynlighedskapper

Fordi teknikken muliggør præcis kontrol over nanopartikelfordelingen, forskerne siger, at det en dag kan være nyttigt for kapper, der gør objekter delvist usynlige ved at fremkalde et fænomen, der kaldes "omvendt brydning".

Omvendt brydning bøjer lysbølger baglæns på en måde, der ikke forekommer i naturen, muligvis lede dem rundt om et objekt eller væk fra øjet. Forskerne mener, at ved omhyggeligt at dimensionere og placere en række nanopartikler mellem hinanden, de kan muligvis fremkalde og kontrollere omvendt brydning i bestemte lysbølgelængder.

"For usynlighed tilsløring, vi har brug for både at transmittere og manipulere lys på meget præcise måder, og det er meget svært i dag, "Goldman sagde." Vi tror, ​​at denne proces kan give os det niveau af kontrol, vi har brug for for at få det til at fungere. "

Teamet arbejder nu på at tilpasse ionstråleprocessen til de specifikke materialer, der bruges i lysdioder-de vurderer, at belysningsenheder med højere effektivitet kan være klar til markedet inden for de næste fem år, med usynlighed tilsløring og andre applikationer, der kommer længere i fremtiden.

Undersøgelsen har titlen "Dannelse af indlejrede plasmoniske Ga -nanopartikelarrays og deres indflydelse på GaAs fotoluminescens."