• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Kvantprickar lyser upp framtiden för belysning

    På bilden är en injektionsflaska som innehåller de ursprungliga kvantprickarna med vitt ljus till vänster och en injektionsflaska med de förbättrade kvantprickarna till höger. Kredit:Rosenthal Lab

    (Phys.org) -- Med en ålder av glödlampan bleknar snabbt, belysningsindustrins heliga graal är att utveckla en högeffektiv form av solid-state belysning som producerar vitt ljus av hög kvalitet.

    En av de få alternativa teknikerna som producerar rent vitt ljus är kvantprickar med vitt ljus. Dessa är ultrasmå fluorescerande pärlor av kadmiumselenid som kan omvandla det blå ljuset som produceras av en LED till ett varmvitt ljus med ett spektrum som liknar det för glödljus. (Däremot, kompakta lysrör och de flesta LED-lampor med vitt ljus avger en kombination av monokromatiska färger som simulerar vitt ljus).

    Sju år sedan, när vitljus kvantprickar upptäcktes av misstag i ett Vanderbilt kemilabb, deras effektivitet var för låg för kommersiella tillämpningar och flera experter förutspådde att det skulle vara omöjligt att höja den till praktiska nivåer. I dag, dock, Vanderbilt-forskare har bevisat att dessa förutsägelser är felaktiga genom att rapportera att de framgångsrikt har ökat fluorescenseffektiviteten hos dessa nanokristaller från en ursprunglig nivå på tre procent till så hög som 45 procent.

    Potentiella kommersiella tillämpningar

    "Fyrtiofem procent är lika hög som effektiviteten för vissa kommersiella fosforer, vilket tyder på att kvantprickar med vitt ljus nu kan användas i vissa speciella belysningstillämpningar, sa Sandra Rosenthal, Jack och Pamela Egans ordförande för kemi, som ledde forskningen som beskrivs online i Journal of the American Chemical Society . "Det faktum att vi framgångsrikt har ökat deras effektivitet med mer än 10 gånger betyder också att det borde vara möjligt att förbättra deras effektivitet ytterligare."

    Det allmänna måttet för den totala effektiviteten hos belysningsenheter kallas ljuseffektivitet och det mäter mängden synligt ljus (lumen) en enhet producerar per watt. En glödlampa producerar cirka 15 lumen/watt, medan ett lysrör släpper ut cirka 100 lumen/watt. LED-lampor med vitt ljus som för närvarande finns på marknaden sträcker sig från 28 till 93 lumen/watt.

    "Vi beräknar att om du kombinerar våra förbättrade kvantprickar med den mest effektiva ultravioletta lysdioden, hybridenheten skulle ha en ljuseffektivitet på cirka 40 lumen/watt, " rapporterade James McBride, forskarassistent i kemi som varit involverad i forskningen från starten. "Det finns mycket utrymme för att förbättra effektiviteten hos UV-lysdioder och förbättringarna skulle direkt leda till högre effektivitet i hybriden."

    En oavsiktlig upptäckt

    Kvantprickar upptäcktes 1980. De är pärlor av halvledarmaterial – de saker som transistorer är gjorda av – som är så små att de har unika elektroniska egenskaper, mellanliggande mellan de för bulkhalvledare och enskilda molekyler. En av deras användbara egenskaper är fluorescens som ger distinkta färger som bestäms av storleken på partiklarna. När nanokristallens storlek krymper skiftar ljuset den avger från rött till blått. Vanderbilts upptäckt var att ultrasmå kvantprickar, innehåller endast 60 till 70 atomer, avger vitt istället för monokromatiskt ljus.

    "Dessa kvantprickar är så små att nästan alla atomer finns på ytan, så emissionen av vitt ljus är i sig ett ytfenomen, sa Rosenthal.

    En av de första metoderna som olika grupper använde i försöket att lysa upp nanokristallerna var "skalning" – att odla ett skal runt dem gjorda av ett annat material, som zinksulfid. Tyvärr, skalen släckte den vita ljuseffekten och de skalade kvantprickarna producerade endast färgat ljus.

    Kemister följde deras näsa

    Efter en ledning från en del forskning gjord vid University of North Carolina, forskarna bestämde sig för att se om behandling av kvantprickarna med metallsalter skulle ha en ljusare effekt. De märkte att några av salterna verkade producera en liten – 10 till 20 procent – ​​men märkbar förbättring.

    "De var acetatsalter och de luktade lite som ättiksyra, " sa McBride. "Vi visste att ättiksyra binder till kvantprickarna så vi bestämde oss för att prova det."

    Beslutet att följa deras näsa visade sig vara lyckligt. Ättiksyrabehandlingen ökade quantum dots fluorescenseffektiviteten från åtta procent till 20 procent!

    Ättiksyra är en medlem av familjen karbocykliska syror. Så forskarna försökte de andra medlemmarna i familjen. De fann att den enklaste och mest sura medlemmen - myrsyra, kemikalien som myror använder för att markera sina vägar – fungerade bäst, höjer effektiviteten så högt som 45 procent.

    Ljusstyrkeökningen hade en oväntad bieffekt. Det flyttade toppen av färgspektrumet för kvantprickarna något till det blå. Detta är ironiskt eftersom det största klagomålet med LED-lampor med vitt ljus är att ljuset de producerar har en obehaglig blå nyans. Dock, forskarna hävdar att de vet hur man korrigerar färgbalansen för det förstärkta ljuset.

    Forskarnas nästa steg är att testa olika metoder för att kapsla in de förstärkta kvantprickarna.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com