Een nieuw ontwerp voor light-emitting diodes (LED's), ontwikkeld door een team met wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), kan de sleutel zijn tot het overwinnen van een al lang bestaande beperking in de efficiëntie van de lichtbronnen. Het concept, gedemonstreerd met microscopisch kleine leds in het lab, behaalt een dramatische toename van de helderheid en de mogelijkheid om laserlicht te creëren - allemaal eigenschappen die het waardevol kunnen maken in een reeks grootschalige en geminiaturiseerde toepassingen.

Het team, die ook wetenschappers van de Universiteit van Maryland omvat, Rensselaer Polytechnic Institute en het IBM Thomas J. Watson Research Center, zijn werk gedetailleerd beschreven in een artikel dat vandaag in het peer-reviewed tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang . Hun apparaat toont een toename in helderheid van 100 tot 1, 000 keer meer dan conventionele kleine, LED-ontwerpen van submicronformaat.

"Het is een nieuwe architectuur voor het maken van LED's, " zei Babak Nikoobakht van NIST, die het nieuwe ontwerp bedacht. "We gebruiken dezelfde materialen als in conventionele LED's. Het verschil bij ons is hun vorm."

LED's bestaan ​​al tientallen jaren, maar de ontwikkeling van heldere LED's won een Nobelprijs en luidde een nieuw tijdperk van verlichting in. Echter, zelfs moderne LED's hebben een beperking die hun ontwerpers frustreert. Tot op zekere hoogte, door een LED meer elektriciteit te geven, gaat deze helderder schijnen, maar al snel neemt de helderheid af, waardoor de LED zeer inefficiënt is. Door de industrie "efficiency droop" genoemd, het probleem staat het gebruik van leds in een aantal veelbelovende toepassingen in de weg, van communicatietechnologie tot het doden van virussen.

Terwijl hun nieuwe LED-ontwerp efficiëntieverlies overwint, de onderzoekers wilden dit probleem aanvankelijk niet oplossen. Hun belangrijkste doel was om een ​​microscopisch kleine LED te maken voor gebruik in zeer kleine toepassingen, zoals de lab-on-a-chip-technologie die wetenschappers van NIST en elders nastreven.

Het team experimenteerde met een geheel nieuw ontwerp voor het deel van de LED dat schijnt:in tegenstelling tot de platte, vlak ontwerp gebruikt in conventionele LED's, de onderzoekers bouwden een lichtbron uit lange, dunne zinkoxidestrengen die ze vinnen noemen. (Lang en dun zijn relatieve termen:elke vin is slechts ongeveer 5 micrometer lang, die zich ongeveer een tiende van de weg uitstrekt over de breedte van een gemiddelde mensenhaar.) Hun vinreeks ziet eruit als een kleine kam die zich kan uitstrekken tot gebieden zo groot als 1 centimeter of meer.

"We zagen een kans in vinnen, omdat ik dacht dat hun langwerpige vorm en grote zijvlakken meer elektrische stroom zouden kunnen ontvangen, Nikoobakht zei. "Eerst wilden we gewoon meten hoeveel het nieuwe ontwerp kon hebben. We begonnen de stroom te verhogen en dachten dat we ermee zouden rijden tot hij opgebrand was, maar het werd steeds helderder."

Hun nieuwe ontwerp straalde briljant in golflengten die zich op de grens tussen violet en ultraviolet uitstrekken, het genereren van ongeveer 100 tot 1, 000 keer zoveel vermogen als typische kleine LED's. Nikoobakht typeert het resultaat als een belangrijke fundamentele ontdekking.

"Een typische LED van minder dan een vierkante micrometer in oppervlakte schijnt met ongeveer 22 nanowatt aan vermogen, maar deze kan tot 20 microwatt produceren, " zei hij. "Het suggereert dat het ontwerp de efficiëntiedaling in LED's kan overwinnen voor het maken van helderdere lichtbronnen."

"Het is een van de meest efficiënte oplossingen die ik heb gezien, " zei Grigory Simin, een professor in elektrotechniek aan de Universiteit van South Carolina die niet bij het project betrokken was. "De gemeenschap werkt al jaren aan het verbeteren van de LED-efficiëntie, en andere benaderingen hebben vaak technische problemen wanneer ze worden toegepast op LED's met een golflengte van minder dan een micrometer. Deze aanpak doet het werk goed."

Het team deed nog een verrassende ontdekking toen ze de stroom opvoerden. Terwijl de LED aanvankelijk in een reeks golflengten scheen, zijn relatief brede emissie versmalde uiteindelijk tot twee golflengten van intens violette kleur. De verklaring werd duidelijk:hun kleine LED was een kleine laser geworden.

"Het omzetten van een LED in een laser kost veel moeite. Het vereist meestal het koppelen van een LED aan een resonantieholte die het licht laat rondkaatsen om een ​​laser te maken, " zei Nikoobakht. "Het lijkt erop dat het ontwerp van de vinnen het hele werk op zichzelf kan doen, zonder nog een holte toe te voegen."

Een kleine laser zou van cruciaal belang zijn voor toepassingen op chipschaal, niet alleen voor chemische detectie, maar ook in draagbare communicatieproducten van de volgende generatie, high-definition displays en desinfectie.

"Het heeft veel potentie om een ​​belangrijke bouwsteen te zijn, " zei Nikoobakht. "Hoewel dit niet de kleinste laser is die mensen hebben gemaakt, het is een hele heldere. De afwezigheid van efficiëntieverlies zou het nuttig kunnen maken."