Nanoforskargruppen ledd av professorerna Helge Weman och Bjørn-Ove Fimland vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitets (NTNU) avdelning för elektroniska system har lyckats skapa lysdioder, eller lysdioder, från ett nanomaterial som avger ultraviolett ljus.

Det är första gången någon har skapat ultraviolett ljus på en grafenyta.

"Vi har visat att det är möjligt, vilket är riktigt spännande, säger doktorand Ida Marie Høiaas, som har arbetat med projektet med Ph.D. kandidat Andreas Liudi Mulyo.

"Vi har skapat en ny elektronisk komponent som har potential att bli en kommersiell produkt. Den är giftfri och kan visa sig vara billigare, och mer stabila och hållbara än dagens lysrör. Om vi ​​lyckas göra dioderna effektiva och mycket billigare, det är lätt att föreställa sig att den här utrustningen blir vardag i människors hem. Det skulle öka marknadspotentialen avsevärt, " säger Høiaas.

Farligt – men användbart

Även om det är viktigt att skydda oss mot för mycket exponering för solens UV-strålning, ultraviolett ljus har också mycket användbara egenskaper.

Detta gäller särskilt UV-ljus med korta våglängder på 100-280 nanometer, kallas UVC-ljus, vilket är särskilt användbart för dess förmåga att förstöra bakterier och virus.

Lyckligtvis, de farliga UVC-strålarna från solen fångas av ozonskiktet och syre och når inte jorden. Men det är möjligt att skapa UVC-ljus, som kan användas för att rengöra ytor och sjukhusutrustning, eller för att rena vatten och luft.

Problemet idag är att många UVC-lampor innehåller kvicksilver. FN:s Minamatakonvention, som trädde i kraft 2017, fastställs åtgärder för att fasa ut kvicksilverbrytning och minska kvicksilveranvändningen.

Konventionen fick sitt namn efter en japansk fiskeby där befolkningen förgiftades av kvicksilverutsläpp från en fabrik på 1950-talet.

Bygger på grafen

Ett lager grafen placerat på glas bildar substratet för forskarnas nya diod som genererar UV-ljus.

Grafen är ett superstarkt och ultratunt kristallint material som består av ett enda lager av kolatomer. Forskare har lyckats odla nanotrådar av aluminium galliumnitrid (AlGaN) på grafengittret.

Processen äger rum i en högtemperaturvakuumkammare där aluminium- och galliumatomer avsätts eller odlas direkt på grafensubstratet - med hög precision och i närvaro av kväveplasma.

Denna process är känd som molekylär strålepitaxi (MBE) och genomförs i Japan, där NTNUs forskargrupp samarbetar med professor Katsumi Kishino vid Sophia University i Tokyo.

Låt det finnas ljus

Efter att ha odlat provet, den transporteras till NTNU NanoLab där forskarna gör metallkontakter av guld och nickel på grafen och nanotrådar. När kraft skickas från grafen och genom nanotrådarna, de avger UV-ljus.

Grafen är transparent för ljus av alla våglängder, och ljuset som sänds ut från nanotrådarna lyser genom grafenet och glaset.

"Det är spännande att kunna kombinera nanomaterial på detta sätt och skapa fungerande lysdioder, säger Høiaas.

En mångmiljonmarknad

En analys har beräknat att marknaden för UVC-produkter kommer att öka med 6 miljarder NOK, eller ungefär 700 miljoner USD mellan nu och 2023. Den växande efterfrågan på sådana produkter och utfasningen av kvicksilver förväntas ge en årlig marknadsökning på nästan 40 procent.

Samtidigt med sin doktorsexamen. forskning vid NTNU, Høiaas arbetar med samma teknik på en industriell plattform för CrayoNano. Företaget är en spinoff från NTNU:s nanoforskningsgrupp.

Använd mindre el billigare

UVC-lysdioder som kan ersätta lysrör finns redan på marknaden, men CrayoNanos mål är att skapa mycket mer energieffektiva och billigare dioder.

Enligt företaget, en anledning till att dagens UV-lysdioder är dyra är att underlaget är tillverkat av dyr aluminiumnitrid. Grafen är billigare att tillverka och kräver mindre material för LED-dioden.

Ytterligare utveckling behövs

Høiaas menar att det krävs en hel del förbättringar innan den process som utvecklats vid NTNU kan skalas upp till industriell produktionsnivå. Nödvändiga uppgraderingar inkluderar konduktivitet och energieffektivitet, mer avancerade nanotrådsstrukturer och kortare våglängder för att skapa UVC-ljus.

CrayoNano har kommit längre, men deras resultat har ännu inte publicerats.

"CrayoNanos mål är att kommersialisera tekniken någon gång under 2022, säger Høiaas.