Light-emitting diodes (LED's) vereisen traditioneel atomaire perfectie om de efficiëntie te optimaliseren. Op nanoschaal is waar structuren slechts miljardsten van een meter overspannen, defecten moeten tot elke prijs worden vermeden - tot nu toe.

Een team van wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stony Brook University heeft ontdekt dat subtiele onvolkomenheden de efficiëntie en de ultraviolette (UV) lichtopbrengst van bepaalde LED-materialen drastisch kunnen verhogen.

"De resultaten zijn verrassend en volledig contra-intuïtief, " zei Brookhaven Lab-wetenschapper Mingzhao Liu, de senior auteur van het onderzoek. "Deze bijna onmerkbare gebreken, die zuurstof bleek te missen in het oppervlak van zinkoxide nanodraden, prestaties daadwerkelijk verbeteren. Deze onthulling kan nieuwe nanomateriaalontwerpen inspireren die veel verder gaan dan LED's die anders reflexmatig zouden zijn afgewezen."

De resultaten, online gepubliceerd 5 december 2017, in Technische Natuurkunde Brieven , helpen deze zinkoxidestructuren een stap dichter bij gebruik als UV-bron in praktische toepassingen te brengen, inclusief medische sensoren, katalysatoren, en zelfs huishoudelijke verlichting.

"De huidige LED-standaard voor UV-licht is galliumnitride, die prachtig functioneert maar zowel duur is als verre van milieuvriendelijk, " zei Brookhaven wetenschapper en studie co-auteur Dario Stacchiola. "Dit 'imperfecte' zinkoxide overwint die problemen."

De wetenschappers maakten gebruik van de unieke instrumentatie en expertise die beschikbaar is bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) en National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten.

"Het vermogen om materialen te onderzoeken, van synthese tot complexe karakterisering, is een uniek voordeel van Brookhaven Lab, " zei Stacchiola. "In feite, de puzzel van zinkoxide-nanodraad-emissie-efficiëntie kon alleen worden opgelost toen nieuwe instrumenten online kwamen bij NSLS-II."

Licht geboren op de rand

De goed presterende LED's maken gebruik van een fenomeen dat near band edge (NBE) fotoluminescentie wordt genoemd en dat wordt aangetroffen in halfgeleidende materialen.

"Wanneer elektronen in de geleidingsband recombineren met gaten in de valentieband - de rand van de zogenaamde bandgap overschrijden - kunnen ze licht uitstralen, " zei Liu. "Dat effect optimaliseren, speciaal voor UV-straling, was ons primaire doel."

De wetenschappers gebruikten een relatief eenvoudige, op lage temperatuur gebaseerde oplossing om nanodraden te laten groeien die zijn samengesteld uit zinkoxidekristallen. Vervolgens pasten ze zuurstofplasma toe om de uiteindelijke nanodraadstructuren te reinigen.

"Toevallig, tijdens een test, we voerden deze plasmastap uit onder veel lagere druk dan normaal - en de resultaten waren toevallig en schokkend, " zei Liu. "Die lagedrukplasmabehandeling is de echte game-wisselaar hier."

De onverwachte NBE-emissies houden wetenschappers al jaren bezig, maar de onderzoeksinstrumenten waren eindelijk voldoende gevorderd om licht te werpen op het mysterie.

Felle lichten en next-gen nanotechnologie

De sleutel voor de doorbraak kwam door sterke synergie tussen twee bundellijnen bij NSLS-II. Gegevens van bundellijn 8-ID - een van de meest intense röntgenabsorptiebronnen ter wereld - gecombineerd met de eerste reeks resultaten van een nieuwe, state-of-the-art röntgenfoto-emissie elektronenmicroscopie (XPEEM) eindstation op bundellijn 21-ID-2. Het XPEEM-eindstation wordt beheerd als een partnerschap tussen CFN en NSLS-II.

Beamline 8-ID onthulde de hoeveelheid röntgenabsorptie, die vervolgens werd gebruikt om de oxidatieve toestand van de monsters af te leiden. De metingen bij bundellijn 21-ID-2 vulden dat werk aan, het monster bombarderen met röntgenstralen om elektronen te exciteren en fotonen uit te zenden volgens de bandniveaus van het monster. Door die energie te analyseren, de bandposities - en hun rol in lichtemissie - konden met hoge precisie worden bepaald.

"We ontdekten dat zuurstofvacatures aan het oppervlak dipolen creëren die ladingsdragers beperken tot de kern van de nanodraad, " zei co-auteur van de studie en NSLS-II-wetenschapper Klaus Attenkofer. "Deze vacatures lijken de zeer efficiënte en pure lichtemissie te stimuleren. En omdat we precies weten wat deze zinkoxidestructuur onderscheidt, we weten hoe we erop moeten voortbouwen en vergelijkbare materialen kunnen verkennen."

De nieuwe synthesetechniek maakt extra structuren mogelijk, zoals hoogwaardige, titaniumoxide lagen, wat ideaal zou kunnen zijn voor fotokatalysatoren. Zo'n materiaal zou efficiënt kunnen werken als een watersplitser, het leveren van waterstofbrandstof voor een groot aantal hernieuwbare energietechnologieën. Toekomstige experimenten zullen deze mogelijkheid onderzoeken en zelfs kijken hoe de katalytische reacties zich in realtime ontvouwen.

"De sterke synergie tussen CFN en NSLS-II maakt Brookhaven Lab een unieke plek om onderzoek naar nanomaterialen te doen, " zei Chuck Zwart, de directeur van de CFN. "Door nauw samen te werken, de twee faciliteiten ontwikkelen en bieden nieuwe onderzoekscapaciteiten aan ten behoeve van onderzoekers over de hele wereld. Deze voorhoedetools zijn van cruciaal belang voor het versnellen van nanowetenschappelijk onderzoek, die de geavanceerde materialen van morgen mogelijk maken."