การออกแบบรูปทรงครีบที่เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับไดโอดเปล่งแสง (LED) ไม่เพียงแต่สามารถเอาชนะความสว่างที่จำกัดของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังช่วยเปลี่ยนให้เป็นเลเซอร์ได้อีกด้วย โครงการใหม่นี้ จากนักวิจัยในสหรัฐอเมริกา สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในการใช้งาน รวมถึงการตรวจวัดสารเคมี เทคโนโลยีการสื่อสารแบบมือถือ จอแสดงผลความละเอียดสูง และการฆ่าเชื้อ
เทคโนโลยี LED เซมิคอนดักเตอร์แบบ
Wide bandgap ได้รับการพัฒนาอย่างมากในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา และขณะนี้มีการใช้งานทั่วไป – สำหรับการให้แสงและการแสดงผลทั่วไป แต่ยังสำหรับการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น การตรวจจับด้วยแสงและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ได้รับผลกระทบจากข้อเสียเปรียบหลัก: เมื่อความหนาแน่นกระแสของ LED เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพควอนตัมภายใน (IQE) จะลดลง
ประสิทธิภาพที่ลดลงนี้หมายความว่าแม้ว่า LED จะส่องสว่างมากขึ้นเมื่อจ่ายกระแสไฟที่แรงกว่า แต่ก็ทำได้เพียงถึงจุดหนึ่งเท่านั้น หลังจากนั้นความสว่างก็เริ่มลดลง – ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าประสิทธิภาพลดลง ความร้อนส่วนเกินที่เกิดขึ้นใน LED เมื่อกระแสที่ใช้เพิ่มขึ้นทำให้ปัญหารุนแรงขึ้น โดย IQE จะลดลงประมาณ 30% เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 23° เป็น 177°C จากผลกระทบเหล่านี้ พลังของ LED ที่มีพื้นที่น้อยกว่าหนึ่งตารางไมครอนจึงอยู่ในช่วงนาโนวัตต์ (nW)
เชื่อกันว่ากลไกสองอย่างมีส่วนทำให้ประสิทธิภาพลดลง ในระยะแรกที่เรียกว่าการรวมตัวใหม่แบบไม่แผ่รังสี ตัวพาประจุแบบตื่นเต้น (อิเล็กตรอนและรู) จะรวมตัวกันใหม่โดยไม่ปล่อยแสง กระบวนการที่ไม่ต้องการนี้ลดประสิทธิภาพของการสร้างแสงและเพิ่มการสูญเสียความร้อน เนื่องจากอิเล็กตรอนและรูจะรวมตัวกันใหม่โดยการผลิตโฟตอน ซึ่งเป็นการสั่นจากความร้อนของโครงผลึก
แทนที่จะเป็นโฟตอน ในกลไกที่สองที่เรียกว่า
Auger recombination พลังงานของคู่อิเล็กตรอน-รูจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนหรือรูอื่น อีกครั้งโดยไม่มีโฟตอนถูกปล่อยออกมา โดยปกติแล้วตัวพาประจุไฟฟ้านี้จะสูญเสียพลังงานส่วนเกินไปสู่การสั่นสะเทือนจากความร้อน
หวีจิ๋วการออกแบบ LED ใหม่ซึ่งสร้างขึ้นโดยนักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) มหาวิทยาลัยแมริแลนด์สถาบันRensselaer PolytechnicและIBM Thomas J Watson Research Centerได้เริ่มต้นขึ้นโดยบังเอิญ ทีมวิจัยไม่ได้มุ่งแก้ปัญหาการหย่อนประสิทธิภาพโดยตรง พวกเขากำลังสำรวจวิธีการสร้าง LED ขนาดไมครอนสำหรับการใช้งานเช่นแล็บบนชิปที่ย่อขนาด
Babak Nikoobakhtสมาชิกในทีมของ NIST ผู้คิดค้นการออกแบบใหม่นี้ อธิบายว่าเขาและเพื่อนร่วมงานใช้วัสดุแบบเดียวกับใน LED ทั่วไป แต่ขึ้นรูปเป็นรูปร่างที่แตกต่างกัน Nikoobakht และเพื่อนร่วมงานต่างสร้างแหล่งกำเนิดแสงจากเส้นสังกะสีออกไซด์ (ZnO) ที่บางและยาว ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบที่แบนราบซึ่งใช้กันทั่วไป โดยวัดความยาวได้ประมาณ 5 ไมครอนและกว้างประมาณ 160 นาโนเมตร อาร์เรย์ LED แบบครีบที่ได้ซึ่งเติบโตบนสารตั้งต้นของแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ดูเหมือนหวีเล็กๆ ที่ขยายไปทั่วพื้นที่ที่มีขนาดใหญ่ถึงหนึ่งเซนติเมตรขึ้นไป
Nikoobakht กล่าวว่า “เราเห็นโอกาสในครีบ
เนื่องจากผมคิดว่ารูปทรงที่ยาวและด้านที่ใหญ่ของพวกมันอาจรับกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น “ในตอนแรก เราเพียงต้องการวัดว่าการออกแบบใหม่นี้ใช้การได้มากเพียงใด เราเริ่มเพิ่มกระแสและคิดว่าเราจะขับมันจนกว่ามันจะหมดไฟ แต่มันก็สว่างขึ้นเรื่อยๆ”
ไฟ LED แบบครีบ ZnO-GaN ใหม่ของกลุ่มจะปล่อยแสงที่ช่วงคลื่นสีม่วงจนถึงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต และสร้างพลังงานได้ประมาณ 100 ถึง 1,000 เท่าของ LED ขนาดไมครอนทั่วไป – สูงสุด 20 mW การออกแบบใหม่ไม่แสดงประสิทธิภาพลดลง แม้แต่ที่ความหนาแน่นกระแสสูงเป็นประวัติการณ์ที่ 1,000 kA/ cm 2 การวัดฟลักซ์การแผ่รังสีสเปกตรัมโดยรวมของอุปกรณ์ยังแสดงให้เห็นว่ากำลังขับเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามกระแสของไดรฟ์
“หนึ่งในโซลูชั่นที่มีประสิทธิภาพที่สุด”
Grigory Siminศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยเซาท์แคโรไลนา สหรัฐอเมริกาซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการนี้ กล่าวว่าการออกแบบใหม่นี้เป็นหนึ่งในโซลูชั่นที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่เขาเคยเห็น “ชุมชนทำงานมาหลายปีเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ LED และแนวทางอื่นๆ มักมีปัญหาทางเทคนิคเมื่อนำไปใช้กับ LED ที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่าไมโครเมตร” เขากล่าวในการแถลงข่าวของ NIST “วิธีนี้ใช้ได้ผลดี”
Nikoobakht และเพื่อนร่วมงานยังค้นพบด้วยว่าเมื่อพวกเขาเพิ่มกระแสที่จ่ายให้กับ LED เป็น 1,000 kA/cm2 แสงการแผ่รังสีคลื่นความถี่กว้างเปรียบเทียบของ LED (ที่มีความยาวคลื่นในช่วงอัลตราไวโอเลตประมาณ 385 นาโนเมตร) แคบลงเหลือเพียงสองความยาวคลื่น (403 และ 417 นาโนเมตร) ที่มีสีม่วงเข้ม ณ จุดนี้ อุปกรณ์เริ่มฉายแสงด้วยความสว่างมากกว่า 20 mW
พลาสติกที่มีโครงสร้าง a-Lith nanogap ที่ประดิษฐ์ขึ้นโดย a-Lith บนพื้นผิว PET เครดิต: วารสารฟิสิกส์: วัสดุไฟ LED โพลีเมอร์ไปนาโนตามที่นักวิจัยกล่าวว่าประสิทธิภาพการเปล่งแสงที่เพิ่มขึ้นของ nanoLED นั้นมาจากรูปร่างครีบที่ช่วยลดเส้นทางที่ไม่ผ่านการแผ่รังสี ด้านข้างขนาดใหญ่ของครีบช่วยให้สามารถฉีดด้วยไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างโพรงเลเซอร์
Nikoobakht ตั้งข้อสังเกตว่าการแปลง LED เป็นเลเซอร์มักจะต้องใช้ความพยายามอย่างมาก และโดยทั่วไปแล้วจะเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่ออุปกรณ์กับช่องเรโซแนนซ์ที่ช่วยให้แสงสะท้อนไปรอบๆ และเพิ่มความเข้มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ “ดูเหมือนว่าการออกแบบครีบสามารถทำงานได้ทั้งหมดด้วยตัวเอง โดยไม่ต้องเพิ่มช่องอื่น” เขากล่าว
Credit : francoisdelaval.org gaimanatjcpl.org gedaechtnisderalpen.net generic40mgnexium.com getridofacnesystem.com
