I ett framsteg som skulle kunna öka effektiviteten hos LED-belysning med 50 procent och till och med bana väg för osynlighetsdöljande enheter, ett team av forskare från University of Michigan har utvecklat en ny teknik som peppar metalliska nanopartiklar till halvledare.

Det är den första tekniken som billigt kan odla metallnanopartiklar både på och under ytan av halvledare. Processen tillför praktiskt taget ingen kostnad under tillverkningen och dess förbättrade effektivitet skulle kunna göra det möjligt för tillverkare att använda färre halvledare i färdiga produkter, gör dem billigare.

Metallnanopartiklarna kan öka effektiviteten hos lysdioder på flera sätt. De kan fungera som små antenner som ändrar och omdirigerar elektriciteten som går genom halvledaren, förvandla mer av det till ljus. De kan också hjälpa till att reflektera ljus från enheten, förhindrar att den fastnar inuti och går till spillo.

Processen kan användas med galliumnitrid som används i LED-belysning och kan också öka effektiviteten i andra halvledarprodukter, inklusive solceller. Det är detaljerat i en studie publicerad i Journal of Applied Physics .

"Detta är ett sömlöst tillägg till tillverkningsprocessen, och det är det som gör det så spännande, sa Rachel Goldman, U-M professor i materialvetenskap och teknik, och fysik. "Förmågan att skapa 3D-strukturer med dessa nanopartiklar hela tiden kommer att öppna många möjligheter."

Nyckelinnovationen

Tanken på att lägga till nanopartiklar för att öka LED-effektiviteten är inte ny. Men tidigare försök att införliva dem har varit opraktiska för storskalig tillverkning. De fokuserade på dyra metaller som silver, guld och platina. Dessutom, storleken och avståndet mellan partiklarna måste vara mycket exakta; detta krävde ytterligare och dyra tillverkningssteg. Vidare, det fanns inget kostnadseffektivt sätt att införliva partiklar under ytan.

Goldmans team upptäckte ett enklare sätt som enkelt integreras med den molekylära strålepitaxiprocessen som används för att tillverka halvledare. Molecular beam epitaxi sprayar flera lager av metalliska element på en wafer. Detta skapar exakt rätt ledande egenskaper för ett givet ändamål.

UM-forskarna applicerade en jonstråle mellan dessa lager - ett steg som trycker metall ut ur halvledarskivan och ut på ytan. Metallen bildar nanoskaliga partiklar som tjänar samma syfte som de dyra guld- och platinafläckarna i tidigare forskning. Deras storlek och placering kan kontrolleras exakt genom att variera jonstrålens vinkel och intensitet. Och applicering av jonstrålen om och om igen mellan varje lager skapar en halvledare med nanopartiklarna inblandade genomgående.

"Om du noggrant skräddarsyr storleken och avståndet mellan nanopartiklar och hur djupt de är inbäddade, du kan hitta en sweet spot som förbättrar ljusutsläppen, " sa Myungkoo Kang, en före detta doktorand i Goldmans labb och första författare på studien. "Denna process ger oss ett mycket enklare och billigare sätt att göra det."

Forskare har vetat i åratal att metallpartiklar kan samlas på ytan av halvledare under tillverkning. Men de ansågs alltid vara en olägenhet, något som hände när blandningen av element var felaktig eller timingen var avstängd.

"Från de allra första dagarna av halvledartillverkning, målet var alltid att spraya ett slätt lager av element på ytan. Om grundämnena istället bildade partiklar, det ansågs vara ett misstag, " Goldman sa. "Men vi insåg att dessa "misstag" är mycket lika de partiklar som tillverkarna har försökt så hårt att införliva i lysdioder. Så vi kom på ett sätt att göra lemonad av citroner."

Mot osynlighetskappor

Eftersom tekniken tillåter exakt kontroll över nanopartikelfördelningen, forskarna säger att det en dag kan vara användbart för kappor som gör föremål delvis osynliga genom att inducera ett fenomen som kallas "omvänd refraktion".

Omvänd brytning böjer ljusvågor bakåt på ett sätt som inte förekommer i naturen, potentiellt rikta dem runt ett föremål eller bort från ögat. Forskarna tror att genom att noggrant dimensionera och separera en rad nanopartiklar, de kanske kan inducera och kontrollera omvänd brytning i specifika våglängder av ljus.

"För osynlighetsmantel, vi måste både överföra och manipulera ljus på mycket exakta sätt, och det är väldigt svårt idag, ", sa Goldman. "Vi tror att den här processen kan ge oss den kontrollnivå vi behöver för att få det att fungera."

Teamet arbetar nu med att anpassa jonstråleprocessen till de specifika materialen som används i lysdioder – de uppskattar att de mer effektiva belysningsenheterna kan vara redo för marknaden inom de kommande fem åren, med osynlighetscloaking och andra applikationer som kommer längre fram i tiden.

Studien har titeln "Formation av inbäddade plasmoniska Ga-nanopartikelmatriser och deras inverkan på GaAs fotoluminescens."