In een voorschot dat de efficiëntie van LED-verlichting met 50 procent zou kunnen verhogen en zelfs de weg zou kunnen effenen voor onzichtbaarheidsverhullende apparaten, een team van onderzoekers van de Universiteit van Michigan heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die metalen nanodeeltjes in halfgeleiders pepert.

Het is de eerste techniek die goedkoop metalen nanodeeltjes kan laten groeien, zowel op als onder het oppervlak van halfgeleiders. Het proces brengt vrijwel geen kosten met zich mee tijdens de fabricage en de verbeterde efficiëntie zou fabrikanten in staat kunnen stellen minder halfgeleiders in afgewerkte producten te gebruiken, waardoor ze goedkoper worden.

De metalen nanodeeltjes kunnen de efficiëntie van leds op verschillende manieren verhogen. Ze kunnen fungeren als kleine antennes die de elektriciteit die door de halfgeleider loopt veranderen en omleiden, meer ervan in licht veranderen. Ze kunnen ook helpen om licht uit het apparaat te reflecteren, voorkomen dat het erin vast komt te zitten en wordt verspild.

Het proces kan worden gebruikt met het galliumnitride dat wordt gebruikt in LED-verlichting en kan ook de efficiëntie verhogen in andere halfgeleiderproducten, inclusief zonnecellen. Het wordt gedetailleerd beschreven in een studie gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"Dit is een naadloze toevoeging aan het productieproces, en dat maakt het zo spannend, " zei Rachel Goldman, U-M hoogleraar materiaalkunde en techniek, en natuurkunde. "De mogelijkheid om overal met deze nanodeeltjes 3D-structuren te maken, zal veel mogelijkheden bieden."

De belangrijkste innovatie

Het idee om nanodeeltjes toe te voegen om de LED-efficiëntie te verhogen is niet nieuw. Maar eerdere pogingen om ze op te nemen waren onpraktisch voor grootschalige productie. Ze richtten zich op dure metalen zoals zilver, goud en platina. In aanvulling, de grootte en afstand van de deeltjes moeten zeer nauwkeurig zijn; dit vereiste extra en dure fabricagestappen. Verder, er was geen kosteneffectieve manier om deeltjes onder het oppervlak op te nemen.

Goldman's team ontdekte een eenvoudigere manier die gemakkelijk integreert met het moleculaire bundelepitaxieproces dat wordt gebruikt om halfgeleiders te maken. Moleculaire bundelepitaxie spuit meerdere lagen metalen elementen op een wafel. Hierdoor ontstaan ​​precies de juiste geleidende eigenschappen voor een bepaald doel.

De U-M-onderzoekers brachten een ionenbundel tussen deze lagen aan - een stap die metaal uit de halfgeleiderwafel en op het oppervlak duwt. Het metaal vormt deeltjes op nanoschaal die hetzelfde doel dienen als de dure goud- en platinavlekken in eerder onderzoek. Hun grootte en plaatsing kunnen nauwkeurig worden geregeld door de hoek en intensiteit van de ionenbundel te variëren. En door de ionenbundel steeds weer tussen elke laag aan te brengen, ontstaat een halfgeleider met de nanodeeltjes overal verspreid.

"Als je zorgvuldig de grootte en afstand van nanodeeltjes afstemt en hoe diep ze zijn ingebed, u een goede plek kunt vinden die de lichtemissie verbetert, " zei Myungkoo Kang, een voormalig afgestudeerde student in Goldman's lab en eerste auteur van het onderzoek. "Dit proces geeft ons een veel eenvoudigere en goedkopere manier om dat te doen."

Onderzoekers weten al jaren dat metaaldeeltjes zich tijdens de fabricage op het oppervlak van halfgeleiders kunnen verzamelen. Maar ze werden altijd als hinderlijk beschouwd, iets dat gebeurde toen de mix van elementen niet klopte of de timing niet goed was.

"Vanaf het allereerste begin van de productie van halfgeleiders, het doel was altijd om een ​​gladde laag elementen op het oppervlak te spuiten. Als de elementen in plaats daarvan deeltjes vormden, het werd als een vergissing beschouwd, " zei Goldman. "Maar we realiseerden ons dat die 'fouten' erg lijken op de deeltjes die fabrikanten zo hard hebben geprobeerd om in LED's op te nemen. Dus bedachten we een manier om limonade te maken van citroenen."

Op weg naar onzichtbaarheidsmantels

Omdat de techniek nauwkeurige controle over de verdeling van nanodeeltjes mogelijk maakt, de onderzoekers zeggen dat het ooit nuttig kan zijn voor mantels die objecten gedeeltelijk onzichtbaar maken door een fenomeen te induceren dat bekend staat als 'omgekeerde breking'.

Omgekeerde breking buigt lichtgolven naar achteren op een manier die in de natuur niet voorkomt, ze mogelijk rond een object of weg van het oog richten. De onderzoekers zijn van mening dat door een reeks nanodeeltjes zorgvuldig te dimensioneren en op afstand te houden, ze kunnen mogelijk omgekeerde breking induceren en beheersen in specifieke golflengten van licht.

"Voor onzichtbaarheidsverhulling, we moeten licht zowel op een zeer nauwkeurige manier overbrengen als manipuleren, en dat is erg moeilijk vandaag, " zei Goldman. "Wij geloven dat dit proces ons het niveau van controle kan geven dat we nodig hebben om het te laten werken."

Het team werkt nu aan het aanpassen van het ionenstraalproces aan de specifieke materialen die in LED's worden gebruikt - ze schatten dat de hoger-efficiënte verlichtingsapparaten binnen de komende vijf jaar klaar kunnen zijn voor de markt, met onzichtbaarheidsverhulling en andere toepassingen die in de toekomst verder komen.

De studie is getiteld "Vorming van ingebedde plasmonische Ga-nanodeeltjesarrays en hun invloed op GaAs-fotoluminescentie."