Nanowire-guruer vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tillverkat ultravioletta lysdioder (LED) som, tack vare en speciell typ av skal, producerar fem gånger högre ljusintensitet än jämförbara lysdioder baserade på en enklare skaldesign.

Ultravioletta lysdioder används i ett växande antal tillämpningar som polymerhärdning, vattenrening och medicinsk desinfektion. Mikro-LED är också av intresse för visuella skärmar. NIST-personal experimenterar med nanotrådsbaserade lysdioder för skanningsprobspetsar avsedda för elektronik- och biologitillämpningar.

Den nya, ljusare lysdioder är ett resultat av NIST:s expertis när det gäller att tillverka högkvalitativa galliumnitrid (GaN) nanotrådar. Nyligen, forskare har experimenterat med nanotrådskärnor gjorda av kiseldopad GaN, som har extra elektroner, omgiven av skal gjorda av magnesiumdopad GaN, som har ett överskott av "hål" för saknade elektroner. När en elektron och ett hål kombineras, energi frigörs som ljus, en process som kallas elektroluminescens.

NIST-gruppen har tidigare visat lysdioder som producerade ljus som tillskrivs elektroner som injiceras i skalskiktet för att rekombineras med hål. De nya lysdioderna har en liten bit aluminium lagt till skalskiktet, vilket minskar förluster från elektronspill och ljusreabsorption.

Som beskrivs i journalen Nanoteknik , de ljusare lysdioderna är tillverkade av nanotrådar med en så kallad "p-i-n"-struktur, en treskiktsdesign som injicerar elektroner och hål i nanotråden. Tillsatsen av aluminium till skalet hjälper till att begränsa elektroner till nanotrådskärnan, öka elektroluminescensen femfaldigt.

"Aluminiets roll är att introducera en asymmetri i den elektriska strömmen som förhindrar elektroner från att flöda in i skalskiktet, vilket skulle minska effektiviteten, och istället begränsar elektroner och hål till nanotrådskärnan, " sa första författaren Matt Brubaker.

Nanotrådsteststrukturerna var cirka 440 nanometer (nm) långa med en skaltjocklek på cirka 40 nm. De sista lysdioderna, inklusive skalen, var nästan 10 gånger större. Forskare fann att mängden aluminium som ingår i tillverkade strukturer beror på nanotrådens diameter.

Gruppledare Kris Bertness sa att minst två företag utvecklar mikro-LED baserade på nanotrådar, och NIST har ett kooperativt forsknings- och utvecklingsavtal med en av dem för att utveckla metoder för dopningsmedel och strukturella karakteriseringsmetoder. Forskarna har haft preliminära diskussioner med skanningsprobföretag om att använda NIST-lysdioder i sina sondspetsar, och NIST planerar att snart demonstrera prototyp LED-verktyg.

NIST-teamet har U.S. Patent 8, 484, 756 på ett instrument som kombinerar mikrovågsskanningssondmikroskopi med en lysdiod för oförstörande, kontaktlös testning av materialkvalitet för viktiga halvledarnanostrukturer som transistorkanaler och enskilda korn i solceller. Sonden skulle också kunna användas för biologisk forskning om proteinutveckling och cellstruktur.