Även när Nobelpriset i fysik 2014 har fastställt lysdioder (LED) som den enskilt mest betydelsefulla och störande energieffektiva belysningslösningen i dag, forskare runt om i världen fortsätter oförminskat att söka efter morgondagens ännu bättre lökar.

Ange kolelektronik.

Elektronik baserad på kol, speciellt kolnanorör (CNT), dyker upp som efterföljare till kisel för tillverkning av halvledarmaterial. Och de kan möjliggöra en ny generation av ljusare, låg effekt, lågkostnadsbelysningsenheter som kan utmana dominansen av lysdioder (LED) i framtiden och hjälpa till att möta samhällets ständigt ökande efterfrågan på grönare glödlampor.

Forskare från Tohoku University i Japan har utvecklat en ny typ av energieffektiv platt ljuskälla baserad på kolnanorör med mycket låg strömförbrukning på cirka 0,1 Watt för varje timmes drift – ungefär hundra gånger lägre än en LED.

I journalen Granskning av vetenskapliga instrument , från AIP publishing, forskarna detaljerar tillverkningen och optimeringen av enheten, som bygger på en fosforskärm och enkelväggiga kolnanorör som elektroder i en diodstruktur. Du kan se det som ett fält av volframfilament som krympt till mikroskopiska proportioner.

De satte ihop enheten från en blandningsvätska innehållande högkristallina enkelväggiga kolnanorör dispergerade i ett organiskt lösningsmedel blandat med en tvålliknande kemikalie känd som ett ytaktivt ämne. Sedan, de "målade" blandningen på den positiva elektroden eller katoden, och repade ytan med sandpapper för att bilda en lätt panel som kan producera en stor, stabil och homogen emissionsström med låg energiförbrukning.

"Vår enkla "diod"-panel kunde få hög ljusstyrka på 60 Lumen per Watt, som har utmärkt potential för en belysningsenhet med låg strömförbrukning, sa Norihiro Shimoi, huvudforskaren och docent i miljöstudier vid Tohoku University.

Ljuseffektivitet talar om för människor hur mycket ljus som produceras av en ljuskälla när de förbrukar en enhetsmängd elkraft, vilket är ett viktigt index för att jämföra energieffektiviteten hos olika belysningsenheter, sa Shimoi. Till exempel, Lysdioder kan producera 100 s lumen per watt och OLEDs (organiska lysdioder) runt 40.

Även om enheten har en diodliknande struktur, dess ljusemitterande system är inte baserat på ett diodsystem, som är gjorda av lager av halvledare, material som fungerar som en korsning mellan en ledare och en isolator, vars elektriska egenskaper kan kontrolleras med tillsats av föroreningar som kallas dopämnen.

De nya enheterna har luminescenssystem som fungerar mer som katodstrålerör, med kolnanorör som fungerar som katoder, och en fosforskärm i en vakuumkavitet som fungerar som anod. Under ett starkt elektriskt fält, katoden avger tätt, höghastighetsstrålar av elektroner genom dess vassa nanorörsspetsar - ett fenomen som kallas fältemission. Elektronerna flyger sedan genom vakuumet i kaviteten, och slå fosforskärmen till att lysa.

"Vi har funnit att en katod med mycket kristallina enkelväggiga kolnanorör och en anod med den förbättrade fosforskärmen i vår diodstruktur erhöll ingen flimmerfältutsändningsström och god ljusstyrkahomogenitet, " sa Shimoi.

Fältemissionselektronkällor fångar forskarnas uppmärksamhet på grund av dess förmåga att ge intensiva elektronstrålar som är ungefär tusen gånger tätare än konventionell termionisk katod (som glödtrådar i en glödlampa). Det betyder att fältemissionskällor kräver mycket mindre kraft för att fungera och producerar en mycket mer riktad och lätt kontrollerbar ström av elektroner.

På senare år har kolnanorör har dykt upp som ett lovande material för elektronfältsstrålare, på grund av sin nålform i nanoskala och extraordinära egenskaper för kemisk stabilitet, värmeledningsförmåga och mekanisk styrka.

Högkristallina enkelväggiga kolnanorör (HCSWCNT) har nästan noll defekter i kolnätverket på ytan, Shimoi förklarade. "Resistansen för katodelektrod med högkristallina enkelväggiga kolnanorör är mycket låg. den nya platta enheten har mindre energiförlust jämfört med andra nuvarande belysningsenheter, som kan användas för att göra energieffektiva katoder med låg strömförbrukning."

"Många forskare har försökt konstruera ljuskällor med kolnanorör som fältsändare, ", sa Shimoi. "Men ingen har utvecklat en likvärdig och enklare belysningsanordning."

Med tanke på det stora steget för tillverkning av enheter – våtbeläggningsprocessen är en billig men stabil process för att tillverka stora ytor och likformigt tunna filmer, den plana utsläppsanordningen har potential att ge ett nytt tillvägagångssätt för belysning i människors livsstil och minska koldioxidutsläppen på jorden, sa Shimoi.