(Phys.org) -- Met de ouderdom van de gloeilamp die snel vervaagt, de heilige graal van de verlichtingsindustrie is het ontwikkelen van een zeer efficiënte vorm van solid-state verlichting die wit licht van hoge kwaliteit produceert.

Een van de weinige alternatieve technologieën die puur wit licht produceren, zijn kwantumstippen met wit licht. Dit zijn ultrakleine fluorescerende kralen van cadmiumselenide die het blauwe licht van een led kunnen omzetten in warm wit licht met een spectrum dat lijkt op dat van gloeilampen. (Daarentegen, compacte tl-buizen en de meeste witlicht-LED's stralen een combinatie van monochromatische kleuren uit die wit licht simuleren).

Zeven jaar geleden, toen per ongeluk witlicht-kwantumstippen werden ontdekt in een chemielaboratorium van Vanderbilt, hun efficiëntie was te laag voor commerciële toepassingen en verschillende experts voorspelden dat het onmogelijk zou zijn om het tot een praktisch niveau te brengen. Vandaag, echter, Vanderbilt-onderzoekers hebben bewezen dat die voorspellingen niet klopten door te melden dat ze met succes de fluorescentie-efficiëntie van deze nanokristallen hebben verhoogd van een oorspronkelijk niveau van drie procent tot wel 45 procent.

Potentiële commerciële toepassingen

"Vijfenveertig procent is net zo hoog als de efficiëntie van sommige commerciële fosforen, wat suggereert dat witlicht-kwantumdots nu kunnen worden gebruikt in sommige speciale verlichtingstoepassingen, " zei Sandra Rosenthal, de Jack en Pamela Egan leerstoel scheikunde, die het onderzoek heeft geleid dat online wordt beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society . "Het feit dat we hun efficiëntie met meer dan 10 keer succesvol hebben verhoogd, betekent ook dat het mogelijk moet zijn om hun efficiëntie nog verder te verbeteren."

De algemene maatstaf voor de algehele efficiëntie van verlichtingsapparaten wordt lichtefficiëntie genoemd en meet de hoeveelheid zichtbaar licht (lumen) die een apparaat per watt produceert. Een gloeilamp produceert ongeveer 15 lumen/watt, terwijl een tl-buis ongeveer 100 lumen/watt uitstraalt. Witlicht-LED's die momenteel op de markt zijn, variëren van 28 tot 93 lumen/watt.

"We berekenen dat als je onze verbeterde kwantumdots combineert met de meest efficiënte ultraviolette LED, het hybride apparaat zou een lichtopbrengst hebben van ongeveer 40 lumen/watt, " meldde James McBride, wetenschappelijk universitair docent scheikunde die vanaf het begin bij het onderzoek is betrokken. "Er is veel ruimte om de efficiëntie van UV-LEDS te verbeteren en de verbeteringen zouden zich direct vertalen in een hogere efficiëntie in de hybride."

Een toevallige ontdekking

Quantum dots werden ontdekt in 1980. Het zijn kralen van halfgeleidermateriaal - het spul waaruit transistors worden gemaakt - die zo klein zijn dat ze unieke elektronische eigenschappen hebben. intermediair tussen die van bulkhalfgeleiders en individuele moleculen. Een van hun nuttige eigenschappen is fluorescentie die onderscheidende kleuren produceert die worden bepaald door de grootte van de deeltjes. Naarmate de grootte van het nanokristal kleiner wordt, verschuift het uitgestraalde licht van rood naar blauw. De ontdekking van Vanderbilt was dat ultrakleine kwantumstippen, met slechts 60 tot 70 atomen, wit in plaats van monochromatisch licht uitstralen.

"Deze kwantumstippen zijn zo klein dat bijna alle atomen zich aan de oppervlakte bevinden, dus de emissie van wit licht is intrinsiek een oppervlakteverschijnsel, ’ zei Rosenthal.

Een van de eerste methoden die verschillende groepen gebruikten in een poging om de nanokristallen helderder te maken, was "beschieting" - er omheen een omhulsel gemaakt van een ander materiaal, zoals zinksulfide. Helaas, de schillen doofden het witte lichteffect en de omhulde kwantumstippen produceerden alleen gekleurd licht.

Chemici volgden hun neus

Naar aanleiding van wat onderzoek gedaan aan de Universiteit van North Carolina, de onderzoekers besloten om te kijken of het behandelen van de kwantumstippen met metaalzouten een verhelderend effect zou hebben. Ze merkten dat sommige zouten een kleine - 10 tot 20 procent - maar merkbare verbetering leken te produceren.

"Het waren acetaatzouten en ze roken een beetje naar azijnzuur, " zei McBride. "We wisten dat azijnzuur zich bindt aan de kwantumstippen, dus besloten we het eens te proberen."

De beslissing om hun neus te volgen bleek gelukkig te zijn. De azijnzuurbehandeling verhoogde de fluorescentie-efficiëntie van de quantum dots van acht procent naar 20 procent!

Azijnzuur is een lid van de carbocyclische zuurfamilie. Dus probeerden de onderzoekers de andere leden van het gezin. Ze ontdekten dat het eenvoudigste en meest zure lid - mierenzuur, de chemische stof die mieren gebruiken om hun paden te markeren – werkte het beste, het verhogen van de efficiëntie zo hoog als 45 procent.

De helderheidsboost had een onverwacht neveneffect. Het verschoof de piek van het kleurenspectrum van de kwantumstippen iets naar het blauw. Dit is ironisch omdat de belangrijkste klacht van witlicht-LED's is dat het licht dat ze produceren een onaangename blauwe tint heeft. Echter, de onderzoekers beweren dat ze weten hoe ze de kleurbalans van het versterkte licht kunnen corrigeren.

De volgende stap van de onderzoekers is het testen van verschillende methoden voor het inkapselen van de verbeterde quantum dots.