Forskare har använt zinkoxidmikrotrådar för att avsevärt förbättra effektiviteten vid vilken lysdioder av galliumnitrid (LED) omvandlar elektricitet till ultraviolett ljus. Enheterna tros vara de första lysdioderna vars prestanda har förbättrats genom skapandet av en elektrisk laddning i ett piezoelektriskt material med hjälp av den piezofototroniska effekten.

Genom att applicera mekanisk belastning på mikrotrådarna, forskare vid Georgia Institute of Technology skapade en piezoelektrisk potential i ledningarna, och den potentialen användes för att justera laddningstransporten och förbättra bärarinjektion i lysdioderna. Denna styrning av en optoelektronisk enhet med piezoelektrisk potential, känd som piezo-fototronik, representerar ytterligare ett exempel på hur material som har både piezoelektriska och halvledande egenskaper kan styras mekaniskt.

"Genom att använda denna effekt, vi kan förbättra den externa effektiviteten för dessa enheter med en faktor på mer än fyra gånger, upp till åtta procent, " sa Zhong Lin Wang, en Regents-professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Från en praktisk synvinkel, denna nya effekt kan ha många effekter för elektrooptiska processer – inklusive förbättringar av energieffektiviteten hos belysningsenheter."

Detaljer om forskningen rapporterades i numret av den 14 september av tidskriften Nanobokstäver . Forskningen sponsrades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) och US Department of Energy (DOE). Förutom Wang, forskargruppen inkluderade huvudsakligen Qing Yang, en gästforskare vid Georgia Tech från Institutionen för optisk teknik vid Zhejiang University i Kina.

På grund av polariseringen av joner i kristallerna av piezoelektriska material som zinkoxid, Att mekaniskt komprimera eller på annat sätt belasta strukturer gjorda av materialen skapar en piezoelektrisk potential - en elektrisk laddning. I galliumnitrid lysdioderna, forskarna använde den lokala piezoelektriska potentialen för att justera laddningstransporten vid p-n-korsningen.

Effekten var att öka hastigheten med vilken elektroner och hål rekombinerade för att generera fotoner, förbättra enhetens externa effektivitet genom förbättrad ljusemission och högre insprutningsström. "Effekten av piezopotentialen på transportbeteendet hos laddningsbärare är betydande på grund av dess modifiering av bandstrukturen vid korsningen, " förklarade Wang.

Zinkoxidtrådarna bildar "n"-komponenten i en p-n-övergång, med den tunna galliumnitridfilmen som tillhandahåller "p"-komponenten. Fria bärare fångades vid detta gränssnittsområde i en kanal skapad av den piezoelektriska laddningen som bildades genom att komprimera trådarna.

Traditionella LED-designer använder strukturer som kvantbrunnar för att fånga elektroner och hål, som måste förbli nära varandra tillräckligt länge för att kunna kombineras igen. Ju längre som elektroner och hål kan hållas i närheten av varandra, desto högre effektivitet blir LED-enheten i slutändan.

Enheterna som producerats av Georgia Tech-teamet ökade sin emissionsintensitet med en faktor 17 och ökade insprutningsströmmen med en faktor fyra när en tryckpåkänning på 0,093 procent applicerades på zinkoxidtråden. Det förbättrade konverteringseffektiviteten med så mycket som en faktor 4,25.

Lysdioderna tillverkade av forskargruppen producerade utsläpp vid ultravioletta frekvenser (cirka 390 nanometer), men Wang tror att frekvenserna kan utökas till det synliga ljusområdet för en mängd olika optoelektroniska enheter. "Dessa enheter är viktiga för dagens fokus på grön och förnybar energiteknik, " han sa.

I de experimentella enheterna, en enkel zinkoxid mikro/nanowire LED tillverkades genom att manipulera en tråd på ett gjutet substrat. En magnesiumdopad galliumnitridfilm odlades epitaxiellt på ett safirsubstrat genom metallorganisk kemisk ångavsättning, och användes för att bilda en p-n-övergång med zinkoxidtråden.

Ett safirsubstrat användes som katod som placerades sida vid sida med galliumnitridsubstratet med ett välkontrollerat gap. Tråden placerades tvärs över gapet i nära kontakt med galliumnitriden. Genomskinlig polystyren tejp användes för att täcka nanotråden. En kraft applicerades sedan på tejpen av en aluminiumoxidstav kopplad till ett piezo nanopositioneringssteg, skapar spänningen i tråden.

Forskarna studerade sedan förändringen i ljusemission som produceras genom att variera mängden belastning i 20 olika enheter. Hälften av enheterna visade förbättrad effektivitet, while the others – fabricated with the opposite orientation of the microwires – showed a decrease. This difference was due to the reversal in the sign of the piezopotential because of the switch of the microwire orientation from +c to –c.

High-efficiency ultraviolet emitters are needed for applications in chemical, biologisk, flyg, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

"This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."