納米級LED克服「效率降低」難題，還能發射雷射

2020-08-18 科技工作者


納米LED裝置由發光氧化鋅翅片、絕緣介質材料和金屬觸點構成。

《科學進展》雜誌8月14日報導，美國國家標準與技術研究所（NIST）、馬裡蘭大學和倫斯勒理工學院等開發了一種新型發光二極體（LED），有望突破長期存在的光源效率限制。研究人員經演示實驗後發現，新型LED的亮度是傳統亞微米級LED的100~1000倍，並且具備產生雷射的能力。這些特性在規模化和小型化應用中具備潛在應用價值。

NIST研究人員Babak Nikoobakht說：「這是製造LED的新架構。雖然我們使用的材料與傳統LED裝置相同，但對它們的形狀進行了改進。」

雖然LED裝置開啟了照明新時代，但即便是現在使用的LED設備，也有它的局限性：在一定程度上，增加LED的電量會使其發出的光更明亮。然而，亮度很快就會降低，使LED的效率變得非常低。「效率降低」問題限制了LED在通信技術、殺毒等多個領域的應用。

Nikoobakht等設計的新型LED裝置克服了效率降低問題，但這完全是意外之喜——他們的主要目標只是製造一種微型LED，以滿足晶片實驗室技術的需求。

與傳統LED使用的平面設計不同，研究人員在新LED中引入了氧化鋅翅片。翅片陣列看起來就像一把小梳子，並可以向1釐米以外區域延伸。

Nikoobakht解釋說：「我們從翅片結構上看到了希望，因為它們細長的形狀和較寬的側面或許能夠接收更多電流。一開始，我們只是想測試一下新架構能承受多高的電流，結果卻發現它變得越來越亮。」

新LED能發射出紫光至紫外光的明亮光線，產生的功率是一般小型LED的成百上千倍。Nikoobakht說：「這是一個重要的基礎性發現。面積約1平方微米的LED，發光功率約為22納瓦，而新LED能產生高達20微瓦的功率。」

在實驗過程中，研究人員還取得了另一個驚人的發現：雖然新LED最初是在一定波長範圍內發光，但它相對較寬的發射光範圍最終縮小為兩個波長的強烈紫光。這說明，新LED裝置變成了微型雷射器。

Nikoobakht說：「將LED轉換為雷射非常不容易。它需要將LED與諧振腔耦合，使光在腔內反射。翅片結構讓新LED能夠獨立完成整個工作，無需再依託諧振腔。」

微型雷射器在化學傳感、可攜式通信產品、高清顯示器和晶片級設備等方面，都有重要應用價值。Nikoobakht說：「新型LED裝置有可能成為未來應用的關鍵組成部分之一。它能發出明亮的雷射，並且效率不會降低。」

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：張夢

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

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

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