Wetenschappers van de National University of Singapore hebben energiezuinige ultradunne light-emitting diodes (LED's) ontwikkeld voor communicatietechnologieën van de volgende generatie.

Lichtbronnen die elektrische signalen op betrouwbare wijze omzetten in optische signalen, zijn van fundamenteel belang voor informatieverwerkingstechnologieën. Energiezuinige en snelle LED's die op een microchip kunnen worden geïntegreerd en informatie kunnen verzenden, zijn een van de belangrijkste elementen om datacommunicatie met grote volumes mogelijk te maken. Tweedimensionale (2-D) halfgeleiders, die grafeenachtige atomair dunne materialen zijn, hebben onlangs aanzienlijke belangstelling getrokken vanwege hun inherente grootte (slechts een paar atomen dik), goed gedefinieerde lichtemissie-eigenschappen, en vooruitzichten voor integratie op de chip. Hoewel verschillende onderzoeksteams wereldwijd er de afgelopen jaren in zijn geslaagd om op basis van deze materialen leds te fabriceren, het realiseren van efficiënte lichtemissie was een belangrijke uitdaging.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Goki EDA van de departementen Natuurkunde en Scheikunde, NUS is erin geslaagd om zeer energiezuinige ultradunne LED's te ontwikkelen die slechts uit enkele lagen atomen bestaan. Een efficiënt LED-apparaat zet het grootste deel van zijn elektrisch opgenomen vermogen om in lichtemissie (d.w.z. met minimale verliezen door omzetting in andere vormen van energie zoals warmte). Eerdere onderzoeken naar LED's op basis van 2D-halfgeleiders meldden dat er een grote hoeveelheid elektrische stroom nodig is om lichtemissie te activeren. Dit betekent dat een aanzienlijk deel van het ingevoerde elektrische vermogen wordt gedissipeerd als warmte in plaats van licht te genereren. Het team ontdekte dat dit energieverlies aanzienlijk kan worden verminderd door lekkage van elektrische stroom van de emitterende laag naar de metalen elektroden te voorkomen. De onderzoekers toonden aan dat een isolerende laag van enkele nanometers het verlies van elektrische ingangsenergie aanzienlijk kan onderdrukken zonder overmatige elektrische weerstand te introduceren. In tegendeel, door de dikte van de isolatielagen te optimaliseren, het team verminderde de elektrische stroom die nodig is om de lichtemissie te activeren met meer dan 10, 000 keer vergeleken met de state-of-the-art LED's op basis van 2D-halfgeleiders.

Prof Eda zei, "Onze apparaten kunnen met extreem lage elektrische stroom werken, omdat het ontwerp van het apparaat ervoor zorgt dat er minimale verspilling van elektrisch vermogen is."

"Door de materiaalkwaliteit te optimaliseren samen met apparaatontwerp en fabricagemethoden, het wordt mogelijk om efficiënte lichtemissie te hebben met nauwkeurige controle op nanoschaalniveau. Dit zal mogelijk aanzienlijke gevolgen hebben voor de ontwikkeling van toekomstige informatietechnologieën, ", voegde prof. Eda eraan toe.

Het team onderzoekt momenteel de oorsprong van energieverliesprocessen in detail om de efficiëntie van hun apparaten verder te verbeteren.