Wetenschappers van KAUST hebben een techniek aangetoond om het verlies van licht aan het oppervlak van halfgeleider-nanostructuren te verminderen. Sommige materialen kunnen de elektronen in een elektrische stroom efficiënt omzetten in licht. Deze zogenaamde halfgeleiders worden gebruikt om light-emitting diodes of LED's te maken:kleine, licht, energiezuinig, apparaten met een lange levensduur die steeds vaker voorkomen in zowel verlichtings- als displaytoepassingen.

De kleur, of golflengte, van het uitgestraalde licht kan worden bepaald door het juiste materiaal te kiezen. Galliumarsenide, bijvoorbeeld, zendt voornamelijk infrarood licht uit. Voor kortere golflengten die naar het blauwe of ultraviolette gebied van het spectrum gaan, wetenschappers hebben zich tot galliumnitride gewend. Vervolgens, om de emissiegolflengte af te stemmen, aluminium kan worden toegevoegd, die de afstand tussen de atomen verandert en de energiebandgap vergroot.

Echter, talrijke factoren voorkomen dat alle straling die in de halfgeleider wordt gecreëerd, uit het apparaat ontsnapt om als een efficiënte lichtbron te fungeren. Ten eerste, de meeste halfgeleidende materialen hebben een hoge brekingsindex, waardoor halfgeleider-lucht-interfaces sterk worden gereflecteerd - onder sommige hoeken kaatst al het licht achteruit in een proces dat bekend staat als totale interne reflectiviteit. Een tweede beperking is dat onvolkomenheden aan het oppervlak fungeren als vallen die het licht opnieuw absorberen voordat het kan ontsnappen.

Postdoc Haiding Sun en zijn KAUST-collega's, inclusief zijn begeleider, Assistent prof. Xiaohang Li, Prof. Boon Ooi en Assistent Prof. Iman Roqan, hebben LED's ontwikkeld die zijn samengesteld uit een strakke reeks dislocatievrije nanometer-schaal aluminium-gallium-nitride nanodraden op een titanium-gecoat siliciumsubstraat. Door de aanwezigheid van luchtspleten tussen nanodraden kan via verstrooiing efficiënt meer licht worden onttrokken. De wisselwerking is echter dat arrays van nanodraden een groter oppervlak hebben dan een vlakke structuur. "Vanwege de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van nanodraden, hun optische en elektrische eigenschappen zijn zeer gevoelig voor hun omgeving, ", zegt Sun. "Oppervlaktetoestanden en defecten zullen leiden tot lichtgevende apparaten met een laag rendement."

Sun en het team laten zien dat het behandelen van de nanodraden in een verdunde kaliumhydroxide-oplossing de reabsorptie van het oppervlak kan onderdrukken door loshangende chemische bindingen te verwijderen en oxidatie te voorkomen. Hun resultaten toonden aan dat een behandeling van 30 seconden leidde tot een verbetering van 49,7 procent in het uitgangsvermogen van ultraviolet licht in vergelijking met een onbehandeld apparaat.

"We streven ernaar de prestaties van ons apparaat op verschillende manieren te verbeteren, " zegt Sun. "Bijvoorbeeld, we zullen de groeicondities van nanodraad optimaliseren, we zullen kwantumputstructuren gebruiken in het actieve gebied en we zullen verschillende metaalsubstraten gebruiken om de lichtextractie-efficiëntie te verbeteren."