Forscher erhöhen Intensität von Nanodraht-LEDs
Nanodraht-Experten am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ultraviolette lichtemittierende Dioden (LEDs) hergestellt, die dank eines speziellen Schalentyps eine fünfmal höhere Lichtintensität erzeugen als vergleichbare LEDs, die auf einem einfacheren Schalenaufbau basieren.
Modell einer lichtemittierenden Diode auf Nanodrahtbasis, das zeigt, dass das Hinzufügen von etwas Aluminium zur Außenschicht (schwarz) die gesamte Rekombination von Elektronen und Löchern (Räume für Elektronen) in den Nanodrahtkern (mehrfarbiger Bereich) leitet und intensives Licht erzeugt.
NIST
Ultraviolette LEDs werden in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen wie Polymerhärtung, Wasserreinigung und medizinische Desinfektion eingesetzt. Mikro-LEDs sind auch für visuelle Displays von Interesse. Die Mitarbeiter des NIST experimentieren mit LEDs auf Nanodrahtbasis für Scanning-Sondenspitzen mit Anwendungen in der Elektronik und Biologie.
Die neuen, helleren LEDs sind das Ergebnis der Expertise von NIST bei der Herstellung hochwertiger Galliumnitrid (GaN)-Nanodrähte. In letzter Zeit experimentieren Forscher mit Nanodrahtkernen aus siliziumdotiertem GaN, das zusätzliche Elektronen aufweist, umgeben von Schalen aus magnesiumdotiertem GaN, das einen Überschuss an "Löchern" für fehlende Elektronen besitzt. Wenn sich ein Elektron und ein Loch verbinden, wird Energie als Licht freigesetzt, ein Prozess, der als Elektrolumineszenz bezeichnet wird.
Die NIST-Gruppe zeigte zuvor LEDs, die Licht erzeugten, das Elektronen zugeschrieben wurde, die in die Hüllenschicht injiziert wurden, um sich mit Löchern zu rekombinieren. Die neuen LEDs haben ein winziges Stück Aluminium in die Außenschicht eingebracht, was die Verluste durch Elektronenüberlauf und Lichtabsorption reduziert.
Wie in der Zeitschrift Nanotechnology beschrieben, werden die helleren LEDs aus Nanodrähten mit einer sogenannten "p-i-n"-Struktur hergestellt, einem dreischichtigen Aufbau, der Elektronen und Löcher in den Nanodraht einspritzt. Die Zugabe von Aluminium zur Hülle hilft, Elektronen auf den Nanodrahtkern zu beschränken und die Elektrolumineszenz um das Fünffache zu steigern.
"Die Rolle des Aluminiums besteht darin, eine Asymmetrie in den elektrischen Strom einzuführen, die verhindert, dass Elektronen in die Schalenschicht fließen, was den Wirkungsgrad verringern würde, und stattdessen Elektronen und Löcher auf den Nanodrahtkern beschränkt", sagte Erstautor Matt Brubaker.
Die Nanodraht-Teststrukturen waren etwa 440 Nanometer (nm) lang und hatten eine Schalenstärke von etwa 40 nm. Die letzten LEDs, einschließlich der Gehäuse, waren fast 10 mal größer. Forscher fanden heraus, dass die Menge an Aluminium, das in gefertigte Strukturen eingebaut wird, vom Durchmesser des Nanodrahts abhängt.
Gruppenleiter Kris Bertness sagte, dass mindestens zwei Unternehmen Mikro-LEDs auf Basis von Nanodrähten entwickeln, und NIST hat eine kooperative Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung mit einem von ihnen, um Methoden zur Dotierung und Strukturcharakterisierung zu entwickeln. Die Forscher hatten Vorgespräche mit Scanning-Probe-Unternehmen über die Verwendung von NIST-LEDs in ihren Tastspitzen, und NIST plant, in Kürze Prototypen von LED-Werkzeugen zu demonstrieren.
Das NIST-Team hält das US-Patent 8,484,756 auf ein Gerät, das die Mikrowellen-Rastersondenmikroskopie mit einer LED zur zerstörungsfreien, berührungslosen Prüfung der Materialqualität für wichtige Halbleiter-Nanostrukturen wie Transistorkanäle und einzelne Körner in Solarzellen kombiniert. Die Sonde könnte auch für biologische Untersuchungen zur Protein-Entwicklung und Zellstruktur eingesetzt werden.
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