Het nano-onderzoeksteam onder leiding van professoren Helge Weman en Bjørn-Ove Fimland van de afdeling elektronische systemen van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) is erin geslaagd om lichtemitterende diodes te maken, of LED's, van een nanomateriaal dat ultraviolet licht uitstraalt.

Het is de eerste keer dat iemand ultraviolet licht op een grafeenoppervlak heeft gecreëerd.

"We hebben laten zien dat het kan, wat heel spannend is, " zegt promovendus Ida Marie Høiaas, die aan het project heeft gewerkt met Ph.D. kandidaat Andreas Liudi Mulyo.

"We hebben een nieuw elektronisch onderdeel gemaakt dat het potentieel heeft om een ​​commercieel product te worden. Het is niet giftig en zou goedkoper kunnen uitpakken, en stabieler en duurzamer dan de huidige fluorescentielampen. Als we erin slagen de diodes efficiënt en veel goedkoper te maken, het is gemakkelijk voor te stellen dat deze apparatuur gemeengoed wordt in de huizen van mensen. Dat zou het marktpotentieel aanzienlijk vergroten, ' zegt Hoiaas.

Gevaarlijk, maar nuttig

Hoewel het belangrijk is om onszelf te beschermen tegen te veel blootstelling aan de UV-straling van de zon, ultraviolet licht heeft ook zeer nuttige eigenschappen.

Dit geldt vooral voor UV-licht met korte golflengten van 100-280 nanometer, genaamd UVC-licht, wat vooral handig is vanwege zijn vermogen om bacteriën en virussen te vernietigen.

Gelukkig, de gevaarlijke UVC-stralen van de zon worden gevangen door de ozonlaag en zuurstof en bereiken de aarde niet. Maar het is mogelijk om UVC-licht te creëren, die kunnen worden gebruikt voor het reinigen van oppervlakken en ziekenhuisapparatuur, of om water en lucht te zuiveren.

Het probleem van tegenwoordig is dat veel UVC-lampen kwik bevatten. Het Minamata-verdrag van de VN, die in 2017 in werking trad, bevat maatregelen om de kwikwinning geleidelijk af te schaffen en het gebruik van kwik te verminderen.

De conventie is genoemd naar een Japans vissersdorp waar de bevolking in de jaren vijftig werd vergiftigd door kwikuitstoot van een fabriek.

Voortbouwen op grafeen

Een laag grafeen op glas vormt het substraat voor de nieuwe diode van de onderzoekers die UV-licht genereert.

Grafeen is een supersterk en ultradun kristallijn materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Onderzoekers zijn erin geslaagd nanodraden van aluminium galliumnitride (AlGaN) op het grafeenrooster te laten groeien.

Het proces vindt plaats in een vacuümkamer met hoge temperatuur waar aluminium- en galliumatomen direct op het grafeensubstraat worden afgezet of gekweekt - met hoge precisie en in aanwezigheid van stikstofplasma.

Dit proces staat bekend als moleculaire bundelepitaxie (MBE) en wordt uitgevoerd in Japan, waar het NTNU-onderzoeksteam samenwerkt met professor Katsumi Kishino aan de Sophia University in Tokio.

Laat er licht zijn

Nadat het monster is gegroeid, het wordt getransporteerd naar het NTNU NanoLab waar de onderzoekers metalen contacten maken van goud en nikkel op het grafeen en nanodraden. Wanneer stroom wordt gestuurd vanuit het grafeen en door de nanodraden, ze zenden UV-licht uit.

Grafeen is transparant voor licht van alle golflengten, en het licht van de nanodraden schijnt door het grafeen en glas.

"Het is opwindend om op deze manier nanomaterialen te kunnen combineren en werkende LED's te maken, zegt Høiaas.

Markt van meerdere miljoenen dollars

Een analyse heeft berekend dat de markt voor UVC-producten met 6 miljard NOK zal toenemen, of ongeveer 700 miljoen dollar tussen nu en 2023. De groeiende vraag naar dergelijke producten en de geleidelijke afschaffing van kwik zullen naar verwachting een jaarlijkse marktgroei van bijna 40 procent opleveren.

Gelijktijdig met haar Ph.D. onderzoek bij NTNU, Høiaas werkt met dezelfde technologie aan een industrieel platform voor CrayoNano. Het bedrijf is een spin-off van de nano-onderzoeksgroep van NTNU.

Minder stroom goedkoper gebruiken

Er zijn al UVC-leds op de markt die fluorescentielampen kunnen vervangen, maar CrayoNano's doel is om veel energiezuinigere en goedkopere diodes te maken.

Volgens het bedrijf, een van de redenen dat de huidige UV-LED's duur zijn, is dat het substraat is gemaakt van duur aluminiumnitride. Grafeen is goedkoper te vervaardigen en vereist minder materiaal voor de LED-diode.

Verdere ontwikkeling nodig

Høiaas is van mening dat er veel verbeteringen nodig zijn voordat het bij NTNU ontwikkelde proces kan worden opgeschaald naar industrieel productieniveau. Noodzakelijke upgrades omvatten geleidbaarheid en energie-efficiëntie, meer geavanceerde nanodraadstructuren en kortere golflengten om UVC-licht te creëren.

CrayoNano is verder gevorderd, maar hun resultaten zijn nog niet gepubliceerd.

"CrayoNano's doel is om de technologie ergens in 2022 te commercialiseren, ", zegt Høiaas.