توضیح تصویر: مدل دیود نور افشان مبتنی بر نانوسیم که نشان می دهد اضافه کردن یک بیت از آلومینیوم به لایه پوسته (سیاه)، تمام بازترکیب‌های الکترون ها و حفره ها (جای خالی الکترونها) را به هسته نانوسیم (منطقه رنگارنگ) هدایت می کند و نور شدیدی را تولید می کند.
اعتبار: NIST
گزارش کامل
Gurus Nanowire در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، دیودهای نور افشان فرا بنفش یا LEDهای فرا بنفشی ساخته‌اند که به لطف نوع خاصی از پوسته، پنج برابر شدت نور را نسبت به LED های قابل مقایسه با طراحی ساده پوسته افزایش می دهند.
LED های اشعه ماوراء بنفش در تعداد زیادی از برنامه های کاربردی مانند پلیمر، تصفیه آب و ضد عفونی کننده‌های پزشکی استفاده می شوند. میکرو LED ها نیز برای نمایشگرهای بصری مورد توجه هستند. کارکنان NIST با LED های مبتنی بر نانوسیم برای راهنما های اسکن-پروب برای کاربردهای الکترونیک و زیست شناسی آزمایش می کنند.
چراغ های جدید و روشن تر، نتیجه کارایی NIST در ساخت نانوسیم های گالیم نیترید (GaN) با کیفیت بالا می باشد. به تازگی، محققان با هسته های نانوسیم ساخته شده از نیترید گالیوم تقویت شده با سیلیکون، که دارای الکترون های اضافی است، محصور شده توسط پوسته‌های ساخته شده از نیترید گالیوم تقویت شده با منیزیم، که حاوی مازاد "حفره" برای الکترون های از دست رفته است، در حال آزمایش بوده‌اند. هنگامی که یک الکترون و یک حفره ترکیب می شوند، انرژی به صورت نور، در فرایند شناخته شده تحت عنوان تابناکی الکترونی، آزاد می شود.
گروه NIST قبلا LED هایی را به نمایش گذاشتند که نوری را تولید می کردند که به الکترون های تزریق شده به لایه پوسته برای ترکیب مجدد با حفره ها نسبت داده می شوند. LED های جدید کمی آلومینیوم اضافه شده به لایه پوسته دارند، که از دست دادن های ناشی از سرریز الکترون و بازجذب نور را کاهش می دهند. چراغ های جدید و روشن تر، نتیجه کارایی NIST در ساخت نانوسیم های گالیم نیترید (GaN) با کیفیت بالا می باشد.
همانگونه که در نشریه Nanotechnology تشریح شده است، LED های روشن تر از نانوسیم هایی با ساختار به اصطلاح "p-i-n"، که یک طراحی سه لایه ای است که الکترون ها و حفره ها را به نانوسیم تزریق می کند، ساخته می شوند. افزودن آلومینیوم به پوسته، کمک می کند که الکترونها به هسته نانوسیم محدود شوند، و این موجب افزایش تابناکی الکترونی تا پنج برابر می شود.
مت بروباکر، نویسنده اول مقاله، گفت: "نقش آلومینیوم، معرفی یک عدم تقارن در جریان الکتریکی است که مانع جریان الکترون ها به لایه پوسته می شود که این امر کارایی را کاهش می دهد و در عوض، الکترون ها و حفره ها را به هسته نانوسیم محدود می کند."
ساختارهای آزمایشی نانوسیم تقریبا 440 نانومتر طول داشتند و ضخامت پوسته در حدود 40 نانومتر بود. LED های نهایی، شامل پوسته ها، تقریبا 10 برابر بزرگتر بودند. محققان دریافتند که مقدار آلومینیوم لازم داخل کرده به ساختارهای ساخته شده بستگی به قطر نانوسیم دارد.
رهبر گروه، کریس برتسوس، گفت که حداقل دو شرکت در حال توسعه میکرو LED های مبتنی بر نانوسیم ها هستند و NIST دارای یک توافقنامه تحقیق و توسعه تعاونی است که یکی از آنها برای توسعه روش های تشخیص دوپینگ و ساختار است. محققان بحث های اولیه با شرکت های اسکن پروب در مورد استفاده از LED های NIST در راهنما های پروب خود را داشته اند و NIST قصد دارد تا به زودی نمونه های اولیه ی ابزارهای LED را به نمایش بگذارد.
تیم NIST دارای ثبت اختراع 484،756 بر روی یک ابزار است که میکروسکوپ پروب میکروویو را با یک چراغ برای آزمایشات غیرمخرب و بدون تماس کیفیت مواد برای نانوساختارهای نیمه هادی مهم مانند کانال های ترانزیستور و دانه های فردی در سلول های خورشیدی ترکیب می کند. پروب همچنین می تواند برای تحقیقات بیولوژیکی بر روی پروتئین و ساختار سلولی مورد استفاده قرار گیرد.
LED های اشعه ماوراء بنفش در تعداد زیادی از برنامه های کاربردی مانند پلیمر، تصفیه آب و ضد عفونی کننده‌های پزشکی استفاده می شوند. میکرو LED ها نیز برای نمایشگرهای بصری مورد توجه هستند. کارکنان NIST با LED های مبتنی بر نانوسیم برای راهنما های اسکن-پروب برای کاربردهای الکترونیک و زیست شناسی آزمایش می کنند.
چراغ های جدید و روشن تر، نتیجه کارایی NIST در ساخت نانوسیم های گالیم نیترید (GaN) با کیفیت بالا می باشد. به تازگی، محققان با هسته های نانوسیم ساخته شده از نیترید گالیوم تقویت شده با سیلیکون، که دارای الکترون های اضافی است، محصور شده توسط پوسته‌های ساخته شده از نیترید گالیوم تقویت شده با منیزیم، که حاوی مازاد "حفره" برای الکترون های از دست رفته است، در حال آزمایش بوده‌اند. هنگامی که یک الکترون و یک حفره ترکیب می شوند، انرژی به صورت نور، در فرایند شناخته شده تحت عنوان تابناکی الکترونی، آزاد می شود.
گروه NIST قبلا LED هایی را به نمایش گذاشتند که نوری را تولید می کردند که به الکترون های تزریق شده به لایه پوسته برای ترکیب مجدد با حفره ها نسبت داده می شوند. LED های جدید کمی آلومینیوم اضافه شده به لایه پوسته دارند، که از دست دادن های ناشی از سرریز الکترون و بازجذب نور را کاهش می دهند. چراغ های جدید و روشن تر، نتیجه کارایی NIST در ساخت نانوسیم های گالیم نیترید (GaN) با کیفیت بالا می باشد.
همانگونه که در نشریه Nanotechnology تشریح شده است، LED های روشن تر از نانوسیم هایی با ساختار به اصطلاح "p-i-n"، که یک طراحی سه لایه ای است که الکترون ها و حفره ها را به نانوسیم تزریق می کند، ساخته می شوند. افزودن آلومینیوم به پوسته، کمک می کند که الکترونها به هسته نانوسیم محدود شوند، و این موجب افزایش تابناکی الکترونی تا پنج برابر می شود.
مت بروباکر، نویسنده اول مقاله، گفت: "نقش آلومینیوم، معرفی یک عدم تقارن در جریان الکتریکی است که مانع جریان الکترون ها به لایه پوسته می شود که این امر کارایی را کاهش می دهد و در عوض، الکترون ها و حفره ها را به هسته نانوسیم محدود می کند."
ساختارهای آزمایشی نانوسیم تقریبا 440 نانومتر طول داشتند و ضخامت پوسته در حدود 40 نانومتر بود. LED های نهایی، شامل پوسته ها، تقریبا 10 برابر بزرگتر بودند. محققان دریافتند که مقدار آلومینیوم لازم داخل کرده به ساختارهای ساخته شده بستگی به قطر نانوسیم دارد.
رهبر گروه، کریس برتسوس، گفت که حداقل دو شرکت در حال توسعه میکرو LED های مبتنی بر نانوسیم ها هستند و NIST دارای یک توافقنامه تحقیق و توسعه تعاونی است که یکی از آنها برای توسعه روش های تشخیص دوپینگ و ساختار است. محققان بحث های اولیه با شرکت های اسکن پروب در مورد استفاده از LED های NIST در راهنما های پروب خود را داشته اند و NIST قصد دارد تا به زودی نمونه های اولیه ی ابزارهای LED را به نمایش بگذارد.
تیم NIST دارای ثبت اختراع 484،756 بر روی یک ابزار است که میکروسکوپ پروب میکروویو را با یک چراغ برای آزمایشات غیرمخرب و بدون تماس کیفیت مواد برای نانوساختارهای نیمه هادی مهم مانند کانال های ترانزیستور و دانه های فردی در سلول های خورشیدی ترکیب می کند. پروب همچنین می تواند برای تحقیقات بیولوژیکی بر روی پروتئین و ساختار سلولی مورد استفاده قرار گیرد.
درک راندمان بالای LEDهای فرا بنفش عمیق
دیودهای نور افشان فرا بنفش عمیق (DUV-LEDs) ساخته شده از آلومینیوم گالیم نیترید (AlGaN) به طور مؤثر انرژی الکتریکی را به انرژی نوری، به دلیل رشد یکی از لایه های پایین آن را به شیوه ای گام به گام، تبدیل می کند. این یافته می تواند منجر به توسعه LED های کارآمدتری شود.
دیودهای نور افشان فرا بنفش عمیق (DUV-LEDs) مبتنی بر AlGaN با توجه به استفاده بالقوه از آنها در استریلیزاسیون، تصفیه آب، فتوتراپی و ارتباطات نوری با سرعت بالای وابسته به نور خورشید، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. دانشمندان در حال بررسی راه هایی برای بهبود کارایی آنها در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری هستند.
Kazunobu Kojima از دانشگاه Tohoku متخصص در اپتو الکترونیک کوانتومی، که اثرهای کوانتومی نور را در مواد نیمه رسانای حالت جامد مطالعه می کند، و همکارانش در ژاپن از انواع تکنیک های میکروسکوپی تخصصی برای درک اینکه چگونه ساختار LED های مبتنی بر AlGaN بر کارایی آنها تاثیر می گذارد، استفاده کرده اند. میکرو مسیرها، همراه با موضع قوی حرکت الکترونها و حفره ها در لایه های چاه کوانتومی، به نظر می رسد که کارایی LED ها را در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری افزایش می‌دهند.
آنها یک LED مبتنی بر AlGaN را با رشد یک لایه از نیترید آلومینیوم در بالای یک زیر لایه یاقوت کبود با اِعمالِ یک زاویه بسیار کوچک یک درجه ای ساختند. سپس، آنها یک لایه روکش از AlGaN با ناخالصی های سیلیکونی در بالای لایه نیترید آلومینیوم ایجاد کردند. سپس سه چاه کوانتومی AlGaN بر بالای آن رشد داده شد. چاه های کوانتومی لایه های بسیار نازکی هستند که ذرات زیر اتمی به نام الکترون ها و حفره ها را در ابعادی قرار می دهند که عمود بر سطح لایه ها است، بدون محدود کردن حرکت آنها در ابعاد دیگر. چاه کوانتومی فوقانی در نهایت با یک لایه مسدود کننده الکترون تشکیل شده از نیترید آلومینیوم و AlGaN با ناخالصی های منیزیم پوشانده شد.
تحقیقات میکروسکوپی نشان داد که گامهای تراشیده شده ای بین نیترید آلومینیوم پایین و لایه های AlGaN تشکیل شده است. این گامها بر روی شکل لایه های چاه کوانتومی بالای آنها تاثیر می گذارد. نوار های غنی از گالیمی تشکیل می شود که گام های تحتانی را به اعوجاج های کوچکی که در لایه های چاه کوانتومی بالا ایجاد می کنند متصل می کند. این نوارها میکرو مسیرهای جریان الکتریکی در لایه پوشش AlGaN را نمایندگی می کنند. محققان می گویند این میکرو مسیرها، همراه با موضع قوی حرکت الکترونها و حفره ها در لایه های چاه کوانتومی، به نظر می رسد که کارایی LED ها را در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری افزایش می‌دهند.
بر گرفته از سایت ساینس دیلی
دیودهای نور افشان فرا بنفش عمیق (DUV-LEDs) مبتنی بر AlGaN با توجه به استفاده بالقوه از آنها در استریلیزاسیون، تصفیه آب، فتوتراپی و ارتباطات نوری با سرعت بالای وابسته به نور خورشید، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. دانشمندان در حال بررسی راه هایی برای بهبود کارایی آنها در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری هستند.
Kazunobu Kojima از دانشگاه Tohoku متخصص در اپتو الکترونیک کوانتومی، که اثرهای کوانتومی نور را در مواد نیمه رسانای حالت جامد مطالعه می کند، و همکارانش در ژاپن از انواع تکنیک های میکروسکوپی تخصصی برای درک اینکه چگونه ساختار LED های مبتنی بر AlGaN بر کارایی آنها تاثیر می گذارد، استفاده کرده اند. میکرو مسیرها، همراه با موضع قوی حرکت الکترونها و حفره ها در لایه های چاه کوانتومی، به نظر می رسد که کارایی LED ها را در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری افزایش می‌دهند.
آنها یک LED مبتنی بر AlGaN را با رشد یک لایه از نیترید آلومینیوم در بالای یک زیر لایه یاقوت کبود با اِعمالِ یک زاویه بسیار کوچک یک درجه ای ساختند. سپس، آنها یک لایه روکش از AlGaN با ناخالصی های سیلیکونی در بالای لایه نیترید آلومینیوم ایجاد کردند. سپس سه چاه کوانتومی AlGaN بر بالای آن رشد داده شد. چاه های کوانتومی لایه های بسیار نازکی هستند که ذرات زیر اتمی به نام الکترون ها و حفره ها را در ابعادی قرار می دهند که عمود بر سطح لایه ها است، بدون محدود کردن حرکت آنها در ابعاد دیگر. چاه کوانتومی فوقانی در نهایت با یک لایه مسدود کننده الکترون تشکیل شده از نیترید آلومینیوم و AlGaN با ناخالصی های منیزیم پوشانده شد.
تحقیقات میکروسکوپی نشان داد که گامهای تراشیده شده ای بین نیترید آلومینیوم پایین و لایه های AlGaN تشکیل شده است. این گامها بر روی شکل لایه های چاه کوانتومی بالای آنها تاثیر می گذارد. نوار های غنی از گالیمی تشکیل می شود که گام های تحتانی را به اعوجاج های کوچکی که در لایه های چاه کوانتومی بالا ایجاد می کنند متصل می کند. این نوارها میکرو مسیرهای جریان الکتریکی در لایه پوشش AlGaN را نمایندگی می کنند. محققان می گویند این میکرو مسیرها، همراه با موضع قوی حرکت الکترونها و حفره ها در لایه های چاه کوانتومی، به نظر می رسد که کارایی LED ها را در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری افزایش می‌دهند.
بر گرفته از سایت ساینس دیلی
مترجم: علی رضایی میر قائد
