Een licht, helder en klein: wetenschappers bouwen een betere LED op nanoschaal

Een nieuw ontwerp voor light-emitting diodes (LED’s), ontwikkeld door een team met onder meer wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), kan de sleutel zijn om een ​​al lang bestaande beperking in de efficiëntie van de lichtbronnen te overwinnen. Het concept, gedemonstreerd met microscopisch kleine LED’s in het laboratorium, bereikt een dramatische toename in helderheid en het vermogen om laserlicht te creëren – allemaal kenmerken die het waardevol zouden kunnen maken in een reeks grootschalige en geminiaturiseerde toepassingen.

Het team, waartoe ook wetenschappers van de Universiteit van Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute en het IBM Thomas J. Watson Research Center behoren, heeft zijn werk toegelicht in een artikel dat vandaag in het peer-reviewed tijdschrift is gepubliceerd. Science Advances. Hun apparaat vertoont een toename in helderheid van 100 tot 1.000 keer ten opzichte van conventionele kleine LED-ontwerpen van submicronformaat.

“Het is een nieuwe architectuur voor het maken van leds”, zegt Babak Nikoobakht van NIST, die het nieuwe ontwerp bedacht. “We gebruiken dezelfde materialen als bij conventionele LED’s. Het verschil met die van ons is hun vorm.”

Leds bestaan ​​al decennia, maar de ontwikkeling van heldere leds won een Nobelprijs en luidde een nieuw tijdperk van verlichting in. Maar zelfs moderne leds hebben een beperking die hun ontwerpers frustreert. Tot op zekere hoogte zorgt het voeden van een LED met meer elektriciteit ervoor dat deze helderder schijnt, maar al snel valt de helderheid weg, waardoor de LED zeer inefficiënt wordt. Door de industrie “efficiency droop” genoemd, staat het probleem in de weg dat LED’s worden gebruikt in een aantal veelbelovende toepassingen, van communicatietechnologie tot het doden van virussen.

Hoewel hun nieuwe LED-ontwerp de efficiëntieverlies overwint, wilden de onderzoekers dit probleem aanvankelijk niet oplossen. Hun belangrijkste doel was om een ​​microscopisch kleine LED te maken voor gebruik in zeer kleine toepassingen, zoals de lab-on-a-chip-technologie die wetenschappers van NIST en elders nastreven.

Het team experimenteerde met een geheel nieuw ontwerp voor het deel van de LED dat schijnt: in tegenstelling tot het platte, vlakke ontwerp dat wordt gebruikt in conventionele LED’s, bouwden de onderzoekers een lichtbron uit lange, dunne zinkoxidestrengen die ze vinnen noemen. (Lang en dun zijn relatieve termen: elke vin is slechts ongeveer 5 micrometer lang en strekt zich ongeveer een tiende uit over de breedte van een gemiddeld mensenhaar.) Hun reeks vinnen ziet eruit als een kleine kam die zich kan uitstrekken tot gebieden zo groot als 1 centimeter of meer.

“We zagen een kans in vinnen, omdat ik dacht dat hun langwerpige vorm en grote zijvlakken meer elektrische stroom zouden kunnen ontvangen”, zei Nikoobakht. “In eerste instantie wilden we gewoon meten hoeveel het nieuwe ontwerp zou kunnen kosten. We begonnen de stroom te verhogen en dachten dat we ermee zouden rijden totdat hij opbrandde, maar hij werd steeds helderder.”

Hun nieuwe ontwerp scheen briljant in golflengten die zich uitstrekken over de grens tussen violet en ultraviolet, en genereerden ongeveer 100 tot 1.000 keer zoveel stroom als typische kleine LED’s. Nikoobakht typeert het resultaat als een belangrijke fundamentele ontdekking.

“Een typische LED van minder dan een vierkante micrometer in oppervlakte schijnt met ongeveer 22 nanowatt vermogen, maar deze kan tot 20 microwatt produceren”, zei hij. “Het suggereert dat het ontwerp de efficiëntiedaling van LED’s kan overwinnen om helderdere lichtbronnen te maken.”

“Het is een van de meest efficiënte oplossingen die ik heb gezien”, zegt Grigory Simin, een professor in elektrotechniek aan de Universiteit van South Carolina die niet bij het project betrokken was. “De gemeenschap werkt al jaren aan het verbeteren van de LED-efficiëntie, en andere benaderingen hebben vaak technische problemen wanneer ze worden toegepast op submicrometer golflengte-LED’s. Deze benadering doet het werk goed.”

Het team deed nog een verrassende ontdekking toen ze de stroom verhoogden. Terwijl de LED aanvankelijk in een reeks golflengten scheen, werd zijn relatief brede emissie uiteindelijk versmald tot twee golflengten met een intense violette kleur. De verklaring werd duidelijk: hun kleine LED was een kleine laser geworden.

“Het omzetten van een led in een laser kost veel moeite. Meestal moet je een led koppelen aan een resonantieholte die het licht rond laat kaatsen om een ​​laser te maken,” zei Nikoobakht. “Het lijkt erop dat het vinontwerp de hele klus alleen kan doen, zonder dat er nog een holte moet worden toegevoegd.”

Een kleine laser zou van cruciaal belang zijn voor toepassingen op chipschaal, niet alleen voor chemische detectie, maar ook voor de volgende generatie draagbare communicatieproducten, high-definition displays en desinfectie.

“Het heeft veel potentieel om een ​​belangrijke bouwsteen te zijn”, zei Nikoobakht. “Hoewel dit niet de kleinste laser is die mensen hebben gemaakt, is het een zeer heldere. Het ontbreken van efficiëntieverlies zou het nuttig kunnen maken.”