Onderzoekers hebben microdraden van zinkoxide gebruikt om de efficiëntie waarmee galliumnitride light-emitting diodes (LED) elektriciteit omzetten in ultraviolet licht, aanzienlijk te verbeteren. Aangenomen wordt dat de apparaten de eerste LED's zijn waarvan de prestaties zijn verbeterd door het creëren van een elektrische lading in een piëzo-elektrisch materiaal met behulp van het piëzo-fototronische effect.

Door mechanische spanning op de microdraden uit te oefenen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology creëerden een piëzo-elektrisch potentieel in de draden, en dat potentieel werd gebruikt om het ladingstransport af te stemmen en de dragerinjectie in de LED's te verbeteren. Deze besturing van een opto-elektronisch apparaat met piëzo-elektrisch potentieel, bekend als piëzo-fototronica, is een ander voorbeeld van hoe materialen die zowel piëzo-elektrische als halfgeleidende eigenschappen hebben mechanisch kunnen worden gecontroleerd.

"Door gebruik te maken van dit effect, we kunnen de externe efficiëntie van deze apparaten met een factor meer dan vier keer verhogen, tot acht procent, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Vanuit praktisch oogpunt dit nieuwe effect kan veel gevolgen hebben voor elektro-optische processen, waaronder verbeteringen in de energie-efficiëntie van verlichtingsapparatuur."

Details van het onderzoek werden gerapporteerd in het nummer van 14 september van het tijdschrift Nano-letters . Het onderzoek werd gesponsord door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). Naast Wang, het onderzoeksteam omvatte voornamelijk Qing Yang, een gastwetenschapper bij Georgia Tech van de afdeling Optical Engineering van de Zhejiang University in China.

Vanwege de polarisatie van ionen in de kristallen van piëzo-elektrische materialen zoals zinkoxide, mechanisch comprimeren of anderszins spannen van structuren gemaakt van de materialen creëert een piëzo-elektrisch potentieel - een elektrische lading. In de galliumnitride-LED's, de onderzoekers gebruikten het lokale piëzo-elektrische potentieel om het ladingstransport op de pn-overgang af te stemmen.

Het effect was om de snelheid te verhogen waarmee elektronen en gaten recombineerden om fotonen te genereren, verbetering van de externe efficiëntie van het apparaat door verbeterde lichtemissie en hogere injectiestroom. "Het effect van de piëzopotentiaal op het transportgedrag van ladingsdragers is significant vanwege de wijziging van de bandstructuur op de kruising, ' legde Wang uit.

De zinkoxidedraden vormen de "n"-component van een pn-overgang, waarbij de dunne film van galliumnitride de "p"-component verschaft. Vrije dragers werden op dit interfacegebied gevangen in een kanaal dat werd gecreëerd door de piëzo-elektrische lading die werd gevormd door de draden samen te drukken.

Traditionele LED-ontwerpen gebruiken structuren zoals kwantumbronnen om elektronen en gaten op te vangen, die lang genoeg dicht bij elkaar moeten blijven om te recombineren. Hoe langer elektronen en gaten dicht bij elkaar kunnen worden gehouden, hoe hoger het rendement van het LED-apparaat uiteindelijk zal zijn.

De apparaten geproduceerd door het Georgia Tech-team verhoogden hun emissie-intensiteit met een factor 17 en verhoogden de injectiestroom met een factor vier wanneer een drukspanning van 0,093 procent werd uitgeoefend op de zinkoxidedraad. Dat verbeterde de conversie-efficiëntie met maar liefst een factor 4,25.

De door het onderzoeksteam vervaardigde LED's produceerden emissies bij ultraviolette frequenties (ongeveer 390 nanometer), maar Wang gelooft dat de frequenties kunnen worden uitgebreid tot het zichtbare lichtbereik voor een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten. "Deze apparaten zijn belangrijk voor de huidige focus op groene en hernieuwbare energietechnologie, " hij zei.

In de experimentele apparaten een enkele zinkoxide micro/nanodraad LED werd gefabriceerd door een draad te manipuleren op een gegroefd substraat. Een met magnesium gedoteerde galliumnitridefilm werd epitaxiaal op een saffiersubstraat gegroeid door middel van metaalorganische chemische dampafzetting, en werd gebruikt om een ​​pn-overgang te vormen met de zinkoxidedraad.

Een saffiersubstraat werd gebruikt als de kathode die naast het galliumnitridesubstraat werd geplaatst met een goed gecontroleerde opening. De draad werd over de opening geplaatst in nauw contact met het galliumnitride. Om de nanodraad af te dekken werd transparant polystyreentape gebruikt. Vervolgens werd er een kracht op de tape uitgeoefend door een aluminiumoxidestaaf die was verbonden met een piëzo-nanopositioneringstrap, het creëren van de spanning in de draad.

De onderzoekers bestudeerden vervolgens de verandering in lichtemissie die werd geproduceerd door de hoeveelheid spanning in 20 verschillende apparaten te variëren. De helft van de apparaten vertoonde verbeterde efficiëntie, terwijl de anderen - vervaardigd met de tegenovergestelde richting van de microdraden - een afname vertoonden. Dit verschil was te wijten aan de omkering in het teken van de piëzopotentiaal vanwege de omschakeling van de microdraadoriëntatie van +c naar -c.

Ultra-efficiënte ultraviolette stralers zijn nodig voor toepassingen in de chemische, biologisch, ruimtevaart, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

"This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."