En ny design för lysdioder (LED) utvecklad av ett team inklusive forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) kan vara nyckeln till att övervinna en långvarig begränsning i ljuskällornas effektivitet. Konceptet, demonstreras med mikroskopiska lysdioder i labbet, uppnår en dramatisk ökning av ljusstyrkan samt förmågan att skapa laserljus – alla egenskaper som kan göra det värdefullt i en rad storskaliga och miniatyriserade applikationer.

Laget, som också inkluderar forskare från University of Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute och IBM Thomas J. Watson Research Center, detaljerade sitt arbete i en artikel som publicerades idag i den peer-reviewade tidskriften Vetenskapens framsteg . Deras enhet visar en ökning i ljusstyrka på 100 till 1, 000 gånger över konventionella små, LED-designer i submikronstorlek.

"Det är en ny arkitektur för att tillverka lysdioder, " sa NISTs Babak Nikoobakht, som tänkte ut den nya designen. "Vi använder samma material som i konventionella lysdioder. Skillnaden i vårt är deras form."

LED har funnits i decennier, men utvecklingen av ljusstarka lysdioder vann ett Nobelpris och inledde en ny era av belysning. Dock, även moderna lysdioder har en begränsning som frustrerar deras designers. Till en viss punkt, att mata en lysdiod mer elektricitet gör att den lyser starkare, men snart sjunker ljusstyrkan, vilket gör lysdioden mycket ineffektiv. Kallas "effektivitetsdroop" av branschen, problemet står i vägen för att lysdioder används i ett antal lovande applikationer, från kommunikationsteknik till att döda virus.

Medan deras nya LED-design övervinner effektivitetsförlust, forskarna hade till en början inte tänkt lösa detta problem. Deras huvudmål var att skapa en mikroskopisk LED för användning i mycket små applikationer, som lab-on-a-chip-tekniken som forskare vid NIST och på andra håll eftersträvar.

Teamet experimenterade med en helt ny design för den del av lysdioden som lyser:Till skillnad från lägenheten, plan design som används i konventionella lysdioder, forskarna byggde en ljuskälla av långa, tunna zinkoxidsträngar som de kallar fenor. (Lång och tunn är relativa termer:Varje fena är bara cirka 5 mikrometer lång, sträcker sig ungefär en tiondel av vägen över ett genomsnittligt människohårs bredd.) Deras fenarray ser ut som en liten kam som kan sträcka sig till områden så stora som 1 centimeter eller mer.

"Vi såg en möjlighet i fenor, eftersom jag trodde att deras långsträckta form och stora sidofacetter skulle kunna ta emot mer elektrisk ström, ", sa Nikoobakht. "Först ville vi bara mäta hur mycket den nya designen kunde ta. Vi började öka strömmen och tänkte att vi skulle köra den tills den brann ut, men det blev bara ljusare."

Deras nya design lyste briljant i våglängder på gränsen mellan violett och ultraviolett, genererar cirka 100 till 1, 000 gånger så mycket effekt som typiska små lysdioder gör. Nikoobakht karakteriserar resultatet som en betydande fundamental upptäckt.

"En typisk LED på mindre än en kvadratmikrometer i yta lyser med cirka 22 nanowatt effekt, men den här kan producera upp till 20 mikrowatt, ", sa han. "Det tyder på att designen kan övervinna effektivitetsminskningar i lysdioder för att göra ljusare ljuskällor."

"Det är en av de mest effektiva lösningarna jag har sett, sade Grigory Simin, en professor i elektroteknik vid University of South Carolina som inte var involverad i projektet. "Samhället har arbetat i flera år för att förbättra LED-effektiviteten, och andra tillvägagångssätt har ofta tekniska problem när de tillämpas på submikrometer våglängds-LED. Detta tillvägagångssätt gör jobbet bra."

Teamet gjorde ytterligare en överraskande upptäckt när de ökade strömmen. Medan lysdioden först lyste i ett antal våglängder, dess jämförelsevis breda emission minskade så småningom till två våglängder med intensiv violett färg. Förklaringen blev tydlig:Deras lilla lysdiod hade blivit en liten laser.

"Att konvertera en lysdiod till en laser kräver en stor ansträngning. Det kräver vanligtvis att en lysdiod kopplas till en resonanshålighet som låter ljuset studsa runt för att göra en laser, " sa Nikoobakht. "Det verkar som om fendesignen kan göra hela jobbet på egen hand, utan att behöva lägga till ytterligare en hålighet."

En liten laser skulle vara avgörande för applikationer i chipsskala, inte bara för kemisk avkänning, men också i nästa generations handhållna kommunikationsprodukter, högupplösta displayer och desinfektion.

"Det har mycket potential att vara en viktig byggsten, ", sa Nikoobakht. "Även om det här inte är den minsta laser som människor har gjort, det är väldigt ljust. Frånvaron av effektivitetsfall kan göra det användbart."