En lys lys og lille:Forskere bygger en bedre nanoskala LED

Et nyt design til lysemitterende dioder (LED'er) udviklet af et team, der inkluderer forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), kan være nøglen til at overvinde en langvarig begrænsning i lyskildernes effektivitet. Konceptet, demonstreret med mikroskopiske lysdioder i laboratoriet, opnår en dramatisk stigning i lysstyrke samt evnen til at skabe laserlys – alle egenskaber, der kunne gøre det værdifuldt i en række store og miniaturiserede applikationer.

Holdet, som også omfatter forskere fra University of Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute og IBM Thomas J. Watson Research Center, detaljerede sit arbejde i et papir offentliggjort i dag i det peer-reviewede tidsskrift Videnskabens fremskridt . Deres enhed viser en stigning i lysstyrken på 100 til 1, 000 gange over konventionel lille, LED-design i submikronstørrelse.

"Det er en ny arkitektur til fremstilling af LED'er, " sagde NISTs Babak Nikoobakht, der har udtænkt det nye design. "Vi bruger de samme materialer som i konventionelle LED'er. Forskellen på vores er deres form."

LED'er har eksisteret i årtier, men udviklingen af ​​lyse LED'er vandt en Nobelpris og indledte en ny æra for belysning. Imidlertid, selv moderne LED'er har en begrænsning, der frustrerer deres designere. Indtil et punkt, at tilføre en LED mere elektricitet får den til at lyse mere klart, men snart falder lysstyrken af, gør LED'en meget ineffektiv. Kaldet "effektivitetsfald" af industrien, problemet står i vejen for, at LED'er bliver brugt i en række lovende applikationer, fra kommunikationsteknologi til at dræbe vira.

Mens deres nye LED-design overvinder effektivitetsfald, forskerne satte sig ikke i første omgang for at løse dette problem. Deres hovedmål var at skabe en mikroskopisk LED til brug i meget små applikationer, såsom lab-on-a-chip-teknologien, som forskere ved NIST og andre steder forfølger.

Holdet eksperimenterede med et helt nyt design til den del af LED'en, der skinner:I modsætning til den flade, plan design brugt i konventionelle LED'er, forskerne byggede en lyskilde ud af lange, tynde zinkoxidstrenge, de omtaler som finner. (Lang og tynd er relative udtryk:Hver finne er kun omkring 5 mikrometer lang, strækker sig omkring en tiendedel af vejen på tværs af et gennemsnitligt menneskehår.) Deres finne-array ligner en lille kam, der kan strække sig til områder så store som 1 centimeter eller mere.

"Vi så en mulighed i finner, da jeg troede, at deres aflange form og store sidefacetter måske kunne modtage mere elektrisk strøm, " sagde Nikoobakht. "Først ville vi bare måle, hvor meget det nye design kunne tage. Vi begyndte at øge strømmen og regnede med, at vi ville køre den, indtil den brændte ud, men det blev bare lysere."

Deres nye design skinnede strålende i bølgelængder på grænsen mellem violet og ultraviolet, genererer omkring 100 til 1, 000 gange så meget strøm som typiske små lysdioder gør. Nikoobakht karakteriserer resultatet som en væsentlig fundamental opdagelse.

"En typisk LED på mindre end en kvadratmikrometer i areal lyser med omkring 22 nanowatt strøm, men denne kan producere op til 20 mikrowatt, " sagde han. "Det tyder på, at designet kan overvinde effektivitetsfald i LED'er for at lave lysere lyskilder."

"Det er en af ​​de mest effektive løsninger, jeg har set, " sagde Grigory Simin, en professor i elektroteknik ved University of South Carolina, som ikke var involveret i projektet. "Fællesskabet har arbejdet i årevis for at forbedre LED-effektiviteten, og andre tilgange har ofte tekniske problemer, når de anvendes på submikrometer bølgelængde LED'er. Denne tilgang gør arbejdet godt."

Holdet gjorde endnu en overraskende opdagelse, da de øgede strømmen. Mens LED'en lyste i en række bølgelængder i starten, dens forholdsvis brede emission indsnævredes til sidst til to bølgelængder med intens violet farve. Forklaringen blev klar:Deres lille LED var blevet til en lille laser.

"At konvertere en LED til en laser kræver en stor indsats. Det kræver normalt at koble en LED til et resonanshulrum, der lader lyset hoppe rundt for at lave en laser, " sagde Nikoobakht. "Det ser ud til, at finnedesignet kan klare hele jobbet alene, uden at skulle tilføje endnu et hulrum."

En lille laser ville være kritisk for chip-skala applikationer ikke kun til kemisk sensing, men også i næste generations håndholdte kommunikationsprodukter, high-definition displays og desinfektion.

"Det har et stort potentiale for at være en vigtig byggesten, " sagde Nikoobakht. "Selvom dette ikke er den mindste laser, folk har lavet, det er meget lyst. Fraværet af effektivitetsfald kunne gøre det nyttigt."