Nyt nanomateriale til at erstatte kviksølv

Nanoforskerholdet ledet af professorerne Helge Weman og Bjørn-Ove Fimland ved Norges Teknisk-Naturvidenskabelige Universitets (NTNU) Institut for Elektroniske Systemer er lykkedes med at skabe lysemitterende dioder, eller LED'er, fra et nanomateriale, der udsender ultraviolet lys.

Det er første gang nogen har skabt ultraviolet lys på en grafenoverflade.

"Vi har vist, at det er muligt, hvilket er rigtig spændende, " siger ph.d.-kandidat Ida Marie Høiaas, der har arbejdet på projektet med ph.d. kandidat Andreas Liudi Mulyo.

"Vi har skabt en ny elektronisk komponent, der har potentialet til at blive et kommercielt produkt. Den er giftfri og kan vise sig at være billigere, og mere stabile og holdbare end nutidens lysstofrør. Hvis det lykkes os at gøre dioderne effektive og meget billigere, det er let at forestille sig, at dette udstyr bliver almindeligt i folks hjem. Det ville øge markedspotentialet betydeligt, " siger Høiaas.

Farligt - men nyttigt

Selvom det er vigtigt at beskytte os selv mod for meget udsættelse for solens UV-stråling, ultraviolet lys har også meget nyttige egenskaber.

Dette gælder især UV-lys med korte bølgelængder på 100-280 nanometer, kaldet UVC lys, hvilket er særligt nyttigt for dets evne til at ødelægge bakterier og vira.

Heldigvis, de farlige UVC-stråler fra solen fanges af ozonlaget og ilt og når ikke jorden. Men det er muligt at skabe UVC lys, som kan bruges til at rengøre overflader og hospitalsudstyr, eller for at rense vand og luft.

Problemet i dag er, at mange UVC-lamper indeholder kviksølv. FN's Minamata-konvention, som trådte i kraft i 2017, opstiller foranstaltninger til at udfase kviksølvudvinding og reducere brugen af ​​kviksølv.

Konventionen var opkaldt efter en japansk fiskerby, hvor befolkningen blev forgiftet af kviksølvemissioner fra en fabrik i 1950'erne.

Bygger på grafen

Et lag grafen placeret på glas danner substratet for forskernes nye diode, der genererer UV-lys.

Grafen er et superstærkt og ultratyndt krystallinsk materiale, der består af et enkelt lag af kulstofatomer. Det er lykkedes for forskere at dyrke nanotråde af aluminium galliumnitrid (AlGaN) på grafengitteret.

Processen foregår i et højtemperaturvakuumkammer, hvor aluminium- og galliumatomer aflejres eller dyrkes direkte på grafensubstratet - med høj præcision og i nærvær af nitrogenplasma.

Denne proces er kendt som molekylær stråleepitaksi (MBE) og udføres i Japan, hvor NTNU-forskerholdet samarbejder med professor Katsumi Kishino ved Sophia University i Tokyo.

Lad der være lys

Efter at have dyrket prøven, det transporteres til NTNU NanoLab, hvor forskerne laver metalkontakter af guld og nikkel på grafen og nanotrådene. Når strøm sendes fra grafen og gennem nanotrådene, de udsender UV-lys.

Grafen er gennemsigtigt for lys af alle bølgelængder, og lyset, der udsendes fra nanotrådene, skinner gennem grafen og glasset.

"Det er spændende at kunne kombinere nanomaterialer på denne måde og skabe fungerende LED'er, siger Høiaas.

Multi-million dollar marked

En analyse har beregnet, at markedet for UVC-produkter vil stige med 6 milliarder NOK. eller omkring 700 millioner USD mellem nu og 2023. Den voksende efterspørgsel efter sådanne produkter og udfasningen af ​​kviksølv forventes at give en årlig markedsstigning på næsten 40 procent.

Sideløbende med hendes ph.d. forskning ved NTNU, Høiaas arbejder med samme teknologi på en industriel platform for CrayoNano. Virksomheden er et spinoff fra NTNUs nanoforskningsgruppe.

Brug mindre strøm billigere

UVC LED'er, der kan erstatte fluorescerende pærer, er allerede på markedet, men CrayoNanos mål er at skabe langt mere energieffektive og billigere dioder.

Ifølge virksomheden, en grund til, at nutidens UV-LED'er er dyre, er, at underlaget er lavet af dyrt aluminiumnitrid. Grafen er billigere at fremstille og kræver mindre materiale til LED-dioden.

Der er behov for yderligere udvikling

Høiaas mener, at der skal mange forbedringer til, før den proces, der er udviklet på NTNU, kan skaleres op til industrielt produktionsniveau. Nødvendige opgraderinger omfatter ledningsevne og energieffektivitet, mere avancerede nanotrådsstrukturer og kortere bølgelængder for at skabe UVC-lys.

CrayoNano er gået længere, men deres resultater er endnu ikke offentliggjort.

"CrayoNanos mål er at kommercialisere teknologien engang i 2022, siger Høiaas.