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解決方案

科學(xué)家意外創(chuàng)造全新LED設(shè)計(jì),發(fā)光功率提升,還能轉(zhuǎn)換成激光

星之球科技 來源:新浪科技綜合2020-08-24 我要評(píng)論(0 )   

  發(fā)光二極管(LED)是現(xiàn)代住宅、工業(yè)和汽車照明等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的理想照明光源,但是 LED 卻有種技術(shù)限制被稱為 “光效下降” 效應(yīng)。  這種限制通俗來講,就是 LED ...

  發(fā)光二極管(LED)是現(xiàn)代住宅、工業(yè)和汽車照明等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的理想照明光源,但是 LED 卻有種技術(shù)限制被稱為 “光效下降” 效應(yīng)。

  這種限制通俗來講,就是 LED 只在低電流 (僅幾十毫安) 下可以最有效地工作,而隨著輸入電流的增大,發(fā)光效率反而會(huì)逐漸降低。這意味著要維持照明效率,LED 必須在較低的電流下工作,且由于 LED“光效下降”效應(yīng),我們必須增大 LED 器件的面積,或在一個(gè)燈泡中增加更多的 LED,從而在不犧牲效率的同時(shí)增加亮度,這不僅限制了所有商用 LED 的性能提升,也將亞微米級(jí) LED 和激光器的輸出功率限制為納瓦。

  不過,新的研究發(fā)現(xiàn)可能會(huì)從根本上改變這種情況。日前,由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)牽頭的科研小組開發(fā)了一種新型 LED 設(shè)計(jì):“鰭式”LED(Fin LED),這種設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生微瓦級(jí)的輸出功率,比現(xiàn)有的納米級(jí) LED 和激光器高出約 1000 倍,可能是克服 LED 光源效率限制的關(guān)鍵一步。

  該研究小組還包括來自馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和 IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心的多位科學(xué)家,論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上,LED 亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力等特性,都有望使該技術(shù)產(chǎn)生更多衍生價(jià)值。

圖|“鰭式”LED 像素設(shè)計(jì)包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”(紫色)、隔離介電材料(綠色)和金屬觸點(diǎn)(黃色)(來源:NIST)

圖|“鰭式”LED 像素設(shè)計(jì)包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”(紫色)、隔離介電材料(綠色)和金屬觸點(diǎn)(黃色)(來源:NIST)


  NIST 負(fù)責(zé)構(gòu)思 LED 新設(shè)計(jì)的專家巴巴克 · 尼古巴赫(Babak Nikoobakht)說:“這是制造 LED 的全新架構(gòu),我們使用的材料與傳統(tǒng) LED 相同,區(qū)別在于它們的形狀不同?!?/p>

  LED 早在 1962 年就由美國(guó)通用電氣公司研究員尼克 · 何倫亞克(Nick Holonyak)發(fā)明,當(dāng)初只有紅色。2014 年度,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三名日本科學(xué)家(赤崎勇、天野浩和中村修二),以表彰他們發(fā)明了藍(lán)光 LED 技術(shù),開創(chuàng)了照明新時(shí)代。

  雖然有幾十年的技術(shù)發(fā)展史,但即使是現(xiàn)代的 LED 產(chǎn)品,其局限性也使它們的設(shè)計(jì)師們感到沮喪。在某種程度上,給一個(gè) LED 輸入更多的電能會(huì)使它發(fā)光更明亮,但是達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)后,就會(huì)只剩工作溫度劇增,而亮度卻會(huì)大幅衰減,這使得 LED 的光效輸出一直難有突破,如果可以消除 LED 光效下降問題,我們就可以簡(jiǎn)單地通過增加驅(qū)動(dòng)電流來使 LED 變得更亮。

  有意思的是,研究人員開發(fā)的新設(shè)計(jì),最初并不是為了著手解決 “光效下降” 這個(gè)問題,他們?cè)蛩阒圃煲环N微型 LED,用于非常小的應(yīng)用,例如 NIST 正在研究的芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。

  研究小組對(duì) LED 發(fā)光部分進(jìn)行了全新的構(gòu)建:與常規(guī) LED 所采用的平面設(shè)計(jì)不同,他們使用長(zhǎng)而細(xì)的氧化鋅線束(稱為鰭片)構(gòu)建了光源,每個(gè)鰭的長(zhǎng)度僅約 5 微米,大約是人類頭發(fā)平均寬度的十分之一,它們組成的鰭陣列看起來像一個(gè)微小的梳子,可以延伸到 1 厘米或更大的區(qū)域。

圖|鰭式 LED 像素和陣列光學(xué)圖像(來源:Science Advances)

圖|鰭式 LED 像素和陣列光學(xué)圖像(來源:Science Advances)


  尼古巴赫說:“我們看到了鰭片的機(jī)會(huì),因?yàn)槲艺J(rèn)為鰭片的細(xì)長(zhǎng)形狀和較大的側(cè)面可以接收更多的電流。一開始我們只是想測(cè)試一下新設(shè)計(jì)的‘極限’,我們開始加大電流,想辦法把它開到燒壞為止,但它總是越來越亮?!?/p>

  典型的面積小于平方微米的 LED 發(fā)光功率約為 22 納瓦,但這種新型 LED 最多可產(chǎn)生 20 微瓦,將發(fā)光功率最高提升近 1000 倍。這表明該設(shè)計(jì)克服了 LED 的光效下降障礙,從而使光源更明亮。

  “這是我見過的最有效的解決方案之一?!蹦峡_來納大學(xué)電氣工程教授格里戈里 · 西敏(Grigory Simin)評(píng)價(jià)說,學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界多年來一直致力于提高 LED 的效率,而其他方法在應(yīng)用于亞微米級(jí)的 LED 時(shí)通常會(huì)遇到技術(shù)問題,這種方法卻做得很好?!?/p>

圖|在高電流密度下,鰭式 LED 過渡到鰭式激光器(來源:Science Advances)

圖|在高電流密度下,鰭式 LED 過渡到鰭式激光器(來源:Science Advances)


  當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中不斷加大電流時(shí),研究小組又有了一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)。雖然 LED 起初在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)光,但其最終會(huì)縮小為深紫色的兩個(gè)波長(zhǎng),他們的微型 LED 竟然變成了一個(gè)微小的激光器,實(shí)驗(yàn)記錄到的電流密度為 1000 kA/cm 2,LED 轉(zhuǎn)換為激光,亮度超過 20 微瓦。

  “將 LED 轉(zhuǎn)換成激光需要很大的努力。通常,需要將 LED 耦合到諧振腔,諧振腔才能使光線反彈以產(chǎn)生激光。” 尼古巴赫說?!暗捠皆O(shè)計(jì)可以獨(dú)立完成全部工作?!蔽⑿图す馄鞯膽?yīng)用也非常多,不僅在化學(xué)傳感方面,而且在下一代手持式通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面也是如此。

  尼古巴赫認(rèn)為:“這種全新 LED 設(shè)計(jì)作為重要的構(gòu)建基塊具有很大的潛力。” “雖然這不是人們制造的最小的激光器,但它是一個(gè)非常明亮的激光器,且不存在效率下降的問題,將會(huì)大有用處?!?/p>

  研究結(jié)論中指出,這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)令人鼓舞,代表了 LED 設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)的重要一步,可以克服 LED 中的 “電流密度下降” 和“溫度下降”效應(yīng),以最大化其每個(gè)像素可實(shí)現(xiàn)的輸出功率。

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