Tehokkaampia ledejä

UC Santa Barbaran tutkijat puskevat ledien suunnittelun rajoja hiukan eteenpäin menetelmällä, joka voisi tasoittaa tietä tehokkaampaan ja monipuolisempaan ledien näyttö- ja valaistustekniikkaan.

UCSB:n sähkö- ja tietotekniikan professori Jonathan Schuller ja yhteistyökumppanit osoittivat, että uudenlainen fotoniikka-arkkitehtuuri, jonka avulla ei vain voi kerätä enemmän fotoneja, vaan myös ohjataan niitä haluttuun suuntaan.

Mittauksissaan tutkijat havaitsivat, että ledin puolijohdemateriaalissa vapauttamista fotoneista merkittävä määrää ei pääse ulos ledistä.

"Ymmärsimme, että jos tarkastelit emittoidun fotonin kulmajakaumaa ennen kuviointia, se pyrkii painottumaan tiettyyn suuntaan, joka normaalisti jää loukkuun ledin rakenteessa", Schuller kertoo. "Tulimme johtopäätökseen, että voidaan suunnitella normaalisti loukkuun jäävän valon suuntausta käyttämällä perinteisiä metapintojen konsepteja."

Suunnitteluratkaisu koostuu ryhmästä 1,45 mikrometrin pituisia galliumnitridi (GaN) nanosauvoista safiirialustalla. Indiumgalliumnitridin (InGaN) kvanttikaivoja upotetaan nanotankoon rajoittamaan elektroneja ja aukkoja ja siten emittoimaan valoa. Sen lisäksi, että se antaa enemmän valoa poistua puolijohderakenteesta, malli polarisoi valoa, mikä tutkijakollega Prasad Iyerin mukaan on "kriittinen monille sovelluksille."

Projektin idea tuli Iyerille muutama vuosi sitten, kun hän valmistui tohtoriksi Schullerin laboratoriosta, jossa tutkimus keskittyy fotoniikan tekniikkaan ja optisiin ilmiöihin alle aallonpituuden mitoissa.

Hänen tutkimuksensa keskipisteenä olivat metapinnat. Ne ovat suunniteltuja pintoja, joissa on valon kanssa vuorovaikutuksessa olevia nanomittakaavan ominaisuuksia.

"Metapinta on pohjimmiltaan alle aallonpituuksien antennien ryhmä", kertoo Iyer, joka aiemmin tutki kuinka ohjata lasersäteitä metapinnoilla. Ledit emittoivat spontaania valoa, toisin kuin laserin stimuloima yhtenäinen valo.

Kysymys oli, voisivatko he suunnata muodostuneita fotoneita haluttuun suuntaan huolellisesti suunnitellun ja valmistetun nanomittakaavan puolijohdepinnan avulla?

"Ledien kuviointia on tehty aiemminkin", Iyer sanoi, mutta nämä pyrkimykset jakautuvat useisiin suuntiin pienellä hyötysuhteella. "Kukaan ei ollut suunnitellut tapaa ohjata ledin valoemissiota yhteen suuntaan."

Se oli palapeli, joka ei olisi löytänyt ratkaisua, Iyer sanoi, ilman asiantuntijayhteistyöryhmän apua. GaN:n kanssa on poikkeuksellisen vaikea työskennellä ja se vaatii erikoistuneita prosesseja korkealaatuisten kiteiden valmistamiseksi. Ja sellaisia löytyi UC Santa Barbaran Solid State Lighting and Energy Electronics Centeristä (SSLEEC).

"Meillä oli onni tehdä yhteistyötä maailman asiantuntijoiden kanssa näiden asioiden tekemisessä", Schuller sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaita ledejä nanolangasta

Kvanttipisteet tehostavat valon hallintaa