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科学家开发出新型纳米级LED:亮度比传统LED增加1000倍,还能变身为微型激光器

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 Emma Chou • 2020-08-17 14:00:22 来源:前瞻网 E1135G0

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由美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家组成的团队开发的一种新型发光二极管(LED)可能是克服长期以来光源效率限制的关键。这一概念在实验室用微型LED进行了演示,实现了亮度的大幅提高以及产生激光的能力——所有这些特性都使其在大规模和小型化应用中具有极高的价值。 

该团队还包括来自马里兰大学、伦斯勒理工学院和IBM托马斯·J·沃森研究中心的科学家,他们的研究发表在同行评议期刊《科学进展》上,论文中详细介绍了他们的工作。他们的设备显示亮度比传统的亚微米大小的LED设计增加了100到1000倍。

“这是制造LED的新架构。”NIST的Babak Nikoobakht说,他构思了这个新设计。“我们使用与传统LED相同的材料。我们的不同之处在于它们的形状。”

LED灯已经存在了几十年,但明亮的LED的研发赢得了诺贝尔奖,并开启了照明的新时代。然而,即使是现代的LED也有它的局限性,这让它们的设计者感到沮丧。在一定程度上,增加LED的电量会使其发光更加明亮,但很快亮度就会降低,使得LED的效率非常低。这个被业界称为“效率下降”的问题阻碍了LED在从通信技术到杀毒等许多有前景的应用领域的应用。  

尽管研究人员的新型LED设计克服了效率下降的问题,但研究人员最初并不是奔着解决这个问题去的。他们的主要目标是创造一种微型LED,用于非常小的应用,比如NIST和其他地方的科学家正在追求的芯片上实验室技术。

研究小组对发光的LED部分进行了全新设计的实验:与传统LED中使用的平面设计不同,研究人员用又长又薄的氧化锌线制造了一种光源,他们称之为鳍。(“长”和“瘦”是相对而言的:每个鳍只有大约5微米长,大约是人类平均头发宽度的十分之一。)它们的鳍阵列看起来像一个小梳子,可以延伸到1厘米或更多的区域。

“我们在鱼鳍上看到了商机,因为我认为它们细长的形状和较大的侧面可能能够接收到更多的电流。”Nikoobakht说,“一开始,我们只是想衡量一下新设计能承受多大的压力。我们开始增加电流,想把它烧完,但它却越来越亮。”

研究人员的新设计能发出横跨紫色和紫外光边界的明亮波长,产生的能量是典型的小型LED的100到1000倍。Nikoobakht把这个结果描述为一个重要的基础性发现。

他说:“一个典型的面积小于1平方微米的LED发光功率约为22纳瓦,但这种LED能产生高达20微瓦的功率。”“这表明,这种设计可以克服led的效率下降,使光源变得更亮。”

“这是我见过的最有效的解决方案之一。”没有参与该项目的南卡罗来纳大学电子工程教授格里戈里·西敏(Grigory Simin)说。该组织多年来一直致力于提高LED的效率,而其他方法在应用于亚微米波长LED时往往会遇到技术问题。这种方法很有效。”

在增加电流的同时,研究小组还发现了另一个惊人的发现。虽然LED起初在一个波长范围内发光,但它相对较宽的发射最终缩小到两个波长的强烈紫色。简单来说:他们的微型LED变成了微型激光器。

“将LED转换成激光需要很大的努力。它通常需要将LED与谐振腔耦合,使光在谐振腔周围反射,从而产生激光。看来鳍的设计可以自己完成整个工作,而不需要增加另一个空腔。”

一个微型激光器对于芯片规模的应用来说,不仅在化学传感领域,而且在下一代手持通信产品、高清显示器和消毒方面至关重要。

 “它有很大潜力成为一个重要的组成部分。” Nikoobakht说,“虽然这不是人们制造的最小的激光,但它非常明亮。如果效率没有下降,它就会有用。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:

https://phys.org/news/2020-08-bright-tiny-scientists-nanoscale.html

https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba4346

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