紫外半導(dǎo)體發(fā)光二極管在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，目前這種材料的內(nèi)量子效率雖然可達到80%，但外量子效率只有3%左右。如今，基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)，美國佐治亞理工學(xué)院講席教授王中林帶領(lǐng)的課題組發(fā)明了一種新型高效紫外半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在合適應(yīng)用作用下外量子效率可達到7.82%，其光發(fā)射強度、注入電流能力和電光轉(zhuǎn)換效率均成倍提高。新成果發(fā)表在8月在線出版的《納米快報》上。
王中林表示，新成果還可以擴展到從紫外到紅外的整個光譜范圍內(nèi)的由壓電材料制備的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，它們將在發(fā)光二極管、光電池和太陽能電流、人機界面、納米機器人、微—納機電系統(tǒng)、人機交互等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
壓電光電子學(xué)是壓電效應(yīng)、光子特性和半導(dǎo)體特性三相耦合的一種效應(yīng)，它通過應(yīng)變引起的壓電勢來調(diào)節(jié)和控制電光過程，或者反過來利用電光過程調(diào)節(jié)和控制力的作用。該效應(yīng)由王中林于2009年首次發(fā)現(xiàn)。
王中林小組進一步把光引進壓電電子學(xué)器件，致力于開發(fā)和研究力、電和光三相耦合器件。他們發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)可優(yōu)化光電池，提高光探測器的靈敏度。而最近的研究表明壓電效應(yīng)還可以顯著提高氧化鋅微納米線發(fā)光二極管的電子—空穴復(fù)合效率，從而顯著提高發(fā)光性能。這些力、電、光三相耦合的研究構(gòu)成了一個全新的研究領(lǐng)域：壓電光電子學(xué)（piezo-phototronics）領(lǐng)域。據(jù)王中林介紹，力、電、光三相中的兩相耦合比如光電、力電和光力耦合效應(yīng)已經(jīng)獲得了人們的廣泛關(guān)注和大量研究，很多基于這些耦合效應(yīng)的新型納米器件被研制出來。而三相耦合是一個遠比兩相耦合復(fù)雜的系統(tǒng)，因此有更多有趣的具有重大研究價值的效應(yīng)需要人們?nèi)ヌ剿?，更多的器件等待人們?nèi)ラ_發(fā)。
研究人員將壓電光電子學(xué)效應(yīng)應(yīng)用于紫外半導(dǎo)體發(fā)光二極管性能的改造中。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光發(fā)射由載流子的注入、復(fù)合和出射效率等決定。薄膜型寬禁帶半導(dǎo)體制備的紫外發(fā)光器件，其內(nèi)量子效應(yīng)雖然可達到80%，但外量子效率只有3%左右。王中林表示，這主要是由于全反射限制的光出射效率比較低引起的。他和浙江大學(xué)的訪問學(xué)者楊青博士經(jīng)過精心設(shè)計，在N型氧化鋅納米線襯底單根微納米線發(fā)光二極管中引入壓電勢，發(fā)現(xiàn)由壓電勢引起的界面處的能帶改變會形成載流子溝道，從而將載流子捕獲在界面附近，提高載流子的濃度和復(fù)合效率，進而提高器件外量子效率。他們制備的未加外應(yīng)力的發(fā)光二極管的外量子效率達到1.84%。在固定電壓下，對器件施加0.093%的壓應(yīng)力，可以使光發(fā)射強度和注入電流分別提高17倍和4倍，相應(yīng)的電—光轉(zhuǎn)換效率提高4.25倍。合適應(yīng)力作用下外量子效率達到7.82%，和納米線增強的復(fù)合量子阱LED效率相當，遠遠超過已報道的簡單p-n結(jié)納米線半導(dǎo)體光發(fā)射二極管外量子效率。
王中林表示：“我們所發(fā)明的這些氧化鋅納米器件可整合成一個自主發(fā)電、自動控制的智能納米系統(tǒng)；完全基于氧化鋅納米線，我們能創(chuàng)建具有記憶、處理和感應(yīng)能力的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)所需要的電能均取自外部環(huán)境。希望有一天，人類能將納米尺度的發(fā)電機、傳感器、光電子器件和邏輯運算器件有機地集成起來，實現(xiàn)自驅(qū)動和自主決策的智能納米系統(tǒng)。
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