科學家開發出新型納米級LED：亮度比傳統LED增加1000倍，還能變身為微型雷射器

2020-08-17 前瞻網

由美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家組成的團隊開發的一種新型發光二極體(LED)可能是克服長期以來光源效率限制的關鍵。這一概念在實驗室用微型LED進行了演示，實現了亮度的大幅提高以及產生雷射的能力——所有這些特性都使其在大規模和小型化應用中具有極高的價值。

該團隊還包括來自馬裡蘭大學、倫斯勒理工學院和IBM託馬斯·J·沃森研究中心的科學家，他們的研究發表在同行評議期刊《科學進展》上，論文中詳細介紹了他們的工作。他們的設備顯示亮度比傳統的亞微米大小的LED設計增加了100到1000倍。

「這是製造LED的新架構。」NIST的Babak Nikoobakht說，他構思了這個新設計。「我們使用與傳統LED相同的材料。我們的不同之處在於它們的形狀。」

LED燈已經存在了幾十年，但明亮的LED的研發贏得了諾貝爾獎，並開啟了照明的新時代。然而，即使是現代的LED也有它的局限性，這讓它們的設計者感到沮喪。在一定程度上，增加LED的電量會使其發光更加明亮，但很快亮度就會降低，使得LED的效率非常低。這個被業界稱為「效率下降」的問題阻礙了LED在從通信技術到殺毒等許多有前景的應用領域的應用。

儘管研究人員的新型LED設計克服了效率下降的問題，但研究人員最初並不是奔著解決這個問題去的。他們的主要目標是創造一種微型LED，用於非常小的應用，比如NIST和其他地方的科學家正在追求的晶片上實驗室技術。

研究小組對發光的LED部分進行了全新設計的實驗:與傳統LED中使用的平面設計不同，研究人員用又長又薄的氧化鋅線製造了一種光源，他們稱之為鰭。(「長」和「瘦」是相對而言的:每個鰭只有大約5微米長，大約是人類平均頭髮寬度的十分之一。)它們的鰭陣列看起來像一個小梳子，可以延伸到1釐米或更多的區域。

「我們在魚鰭上看到了商機，因為我認為它們細長的形狀和較大的側面可能能夠接收到更多的電流。」Nikoobakht說，「一開始，我們只是想衡量一下新設計能承受多大的壓力。我們開始增加電流，想把它燒完，但它卻越來越亮。」

研究人員的新設計能發出橫跨紫色和紫外光邊界的明亮波長，產生的能量是典型的小型LED的100到1000倍。Nikoobakht把這個結果描述為一個重要的基礎性發現。

他說:「一個典型的面積小於1平方微米的LED發光功率約為22納瓦，但這種LED能產生高達20微瓦的功率。」「這表明，這種設計可以克服led的效率下降，使光源變得更亮。」

「這是我見過的最有效的解決方案之一。」沒有參與該項目的南卡羅來納大學電子工程教授格裡戈裡·西敏(Grigory Simin)說。該組織多年來一直致力於提高LED的效率，而其他方法在應用於亞微米波長LED時往往會遇到技術問題。這種方法很有效。」

在增加電流的同時，研究小組還發現了另一個驚人的發現。雖然LED起初在一個波長範圍內發光，但它相對較寬的發射最終縮小到兩個波長的強烈紫色。簡單來說：他們的微型LED變成了微型雷射器。

「將LED轉換成雷射需要很大的努力。它通常需要將LED與諧振腔耦合，使光在諧振腔周圍反射，從而產生雷射。看來鰭的設計可以自己完成整個工作，而不需要增加另一個空腔。」

一個微型雷射器對於晶片規模的應用來說，不僅在化學傳感領域，而且在下一代手持通信產品、高清顯示器和消毒方面至關重要。

「它有很大潛力成為一個重要的組成部分。」 Nikoobakht說，「雖然這不是人們製造的最小的雷射，但它非常明亮。如果效率沒有下降，它就會有用。」

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

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

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

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