Ljusdioder (LED) kräver traditionellt atomisk perfektion för att optimera effektiviteten. På nanoskala, där strukturer sträcker sig bara miljarder av en meter, defekter bör undvikas till varje pris - tills nu.

Ett team av forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Stony Brook University har upptäckt att subtila brister kan dramatiskt öka effektiviteten och ultraviolett (UV) ljusutgång för vissa LED -material.

"Resultaten är överraskande och helt kontraintuitiva, "sade Brookhaven Lab -forskaren Mingzhao Liu, seniorförfattaren på studien. "Dessa nästan omärkliga brister, som visade sig sakna syre i ytan av nanotrådar av zinkoxid, faktiskt förbättra prestanda. Denna uppenbarelse kan inspirera till nya nanomaterialdesigner långt bortom lysdioder som annars skulle ha avfärdats reflexmässigt. "

Resultaten, publicerad online 5 december, 2017, i Tillämpad fysikbokstäver , hjälpa till att föra dessa zinkoxidstrukturer ett steg närmare att använda som UV -källa i praktiska tillämpningar, inklusive medicinska sensorer, katalysatorer, och till och med hushållsbelysning.

"Den nuvarande LED -standarden för UV -ljus är galliumnitrid, som fungerar vackert men är både dyrt och långt ifrån miljövänligt, "sa Brookhaven -forskaren och studieförfattaren Dario Stacchiola." Denna "ofullkomliga" zinkoxid övervinner dessa frågor. "

Forskarna utnyttjade den enastående instrumentering och expertis som finns tillgänglig vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) och National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), båda DOE Office of Science användarfaciliteter.

"Att ha möjlighet att utforska material från syntes till komplex karakterisering är en unik fördel med Brookhaven Lab, "Sa Stacchiola." Faktum är att pusslet om zinoxid-nanotrådseffektivitet kunde bara lösas när nya instrument kom online på NSLS-II. "

Ljus född på kanten

De högpresterande lysdioderna utnyttjar ett fenomen som kallas near band edge (NBE) fotoluminescens som finns i halvledande material.

"När elektroner i ledningsbandet rekombineras med hål i valensbandet-som korsar kanten av det så kallade bandgapet-kan de avge ljus, "Sa Liu." Optimera den effekten, speciellt för UV -strålning, var vårt främsta mål. "

Forskarna använde en relativt enkel lösningsbaserad metod med låg temperatur för att odla nanotrådar som består av zinkoxidkristaller. De applicerade sedan syreplasma för att rengöra de sista nanotrådstrukturerna.

"Av en slump, under ett test, vi utförde detta plasmasteg under mycket lägre tryck än vanligt - och resultaten var serendipitösa och chockerande, "Sa Liu." Den lågtrycksplasmabehandlingen är den verkliga spelväxlaren här. "

De oväntade NBE -utsläppen har förbryllat forskare i flera år, men utredningsverktygen har äntligen avancerat tillräckligt för att belysa mysteriet.

Kraftigt ljus och nästa generations nanoteknik

Nyckeln till genombrottet kom genom stark synergi mellan två strållinjer vid NSLS-II. Data från beamline 8-ID-en av de mest intensiva röntgenabsorptionskällorna i världen-kombinerat med den första uppsättningen resultat från en ny, toppmodern röntgenfotoemissionselektronmikroskopi (XPEEM) slutstation vid beamline 21-ID-2. XPEEM-slutstationen drivs som ett partnerskap mellan CFN och NSLS-II.

Beamline 8-ID avslöjade mängden röntgenabsorption, som sedan användes för att härleda provets oxidativa tillstånd. Mätningarna vid beamline 21-ID-2 kompletterade det arbetet, bombardera provet med röntgenstrålar för att excitera elektroner och avge fotoner enligt bandets nivåer i provet. Genom att analysera den energin, bandets positioner - och deras roll i ljusutsläpp - kunde bestämmas med hög precision.

"Vi upptäckte att lediga syreutrymmen på ytan skapar dipoler som begränsar laddningsbärare till kärnan i nanotråden, "sa studiemedförfattaren och NSLS-II-forskaren Klaus Attenkofer." Dessa lediga platser tycks driva det mycket effektiva och rena ljusutsläppet. Och eftersom vi vet exakt vad som utmärker denna zinkoxidstruktur, vi vet hur vi bygger på det och utforskar liknande material. "

Den nya syntestekniken möjliggör ytterligare strukturer, som hög kvalitet, titanoxidskikt, vilket kan vara perfekt för fotokatalysatorer. Ett sådant material kan effektivt fungera som en vattenspridare, tillhandahålla vätebränsle för en mängd tekniker för förnybar energi. Framtida experiment kommer att utforska denna möjlighet och till och med se de katalytiska reaktionerna utspelas i realtid.

"Den starka synergin mellan CFN och NSLS-II gör Brookhaven Lab till en unik plats för forskning om nanomaterial, sa Chuck Black, direktören för CFN. "I nära samarbete, de två anläggningarna utvecklar och erbjuder nya forskningskapacitet till förmån för forskare över hela världen. Dessa främsta verktyg är avgörande för att påskynda nanovetenskaplig forskning, vilket möjliggör morgondagens avancerade material. "