Physiker entwickeln Nanodraht-basierte LEDs mit 5-fach höherer Lichtintensität

• Forscher verwenden Nanodrähte und eine spezielle Art von Hülle, um ultraviolette Leuchtdioden zu bauen.
• Sie erzeugen eine 5-mal höhere Lichtintensität als LEDs, die auf herkömmlichem Gehäusedesign basieren.

UV-Licht emittierende Dioden (UV-LEDs) werden in immer mehr Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel Wasserreinigung, Spektroskopie, Photopolymer-Härtung und medizinische Desinfektion.

Deep-UV-LEDs auf der Basis von Nanodrähten haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt, da sie aufgrund ihrer nanoskaligen Größe und ihrer diskreten Natur neue Funktionalitäten bieten können. So können beispielsweise Einzel-Nanodraht-LEDs verwendet werden, um neue Systeme für die optische Subbeugungslithografie aufzubauen, die in pixelierte Arrays für die Wafer-Level-Lithografie skaliert werden könnten.

Vor kurzem haben Forscher des National Institute of Standards and Technology einen speziellen Gehäusetyp verwendet, um auf Nanodraht basierende UV-LEDs zu entwickeln, die eine fünfmal höhere Lichtintensität erzeugen als LEDs, die auf einem herkömmlichen Gehäusedesign basieren.

Wie haben sie es gemacht?

In letzter Zeit hat das Team an Nanodrahtkernen aus siliziumdotiertem Galliumnitrat (enthält zusätzliche Elektronen) gearbeitet, die von Schalen aus Magnesium-dotiertem Galliumnitrat (enthält überschüssige „Löcher“ für fehlende Elektronen) umgeben sind). Wenn ein Loch mit einem Elektron verschmilzt, wird eine beträchtliche Energiemenge in Form von Licht ausgestoßen; dieser Vorgang wird Elektrolumineszenz genannt.

Im Jahr 2017 enthüllten sie Galliumnitrat-LEDs, bei denen Elektronen in die Schalenschicht injiziert wurden, um mit Löchern zu verschmelzen und schließlich hochintensives Licht zu erzeugen. Die neuen LEDs funktionieren auf ähnliche Weise, außer dass die Forscher diesmal der Hüllenschicht eine kleine Menge Aluminium hinzugefügt haben.

Referenz:Nanotechnologie | doi:10.1088/1361-6528/ab07ed | NIST

Das Aluminium minimiert die durch Elektronenüberlauf und Lichtreabsorption auftretenden Verluste. Genauer gesagt bringt es eine Asymmetrie innerhalb des elektrischen Stroms mit sich, die verhindert, dass sich Elektronen in die Schalenschicht bewegen. Dadurch werden die Löcher und Elektronen auf den Kern des Nanodrahts beschränkt, was zu einer fünfmal höheren Lichtintensität führt.

Nanodraht-basierte LED | Der Einbau einer kleinen Menge Aluminium in die Schalenschicht (schwarz) begrenzt Löcher und Elektronen im Kern des Nanodrahts (mehrfarbiger Bereich) und erzeugt so intensives Licht | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Die Forscher nutzten eine sogenannte „p-i-n“-Struktur, um LEDs aus Nanodrähten herzustellen. Die Struktur stellt ein dreischichtiges Design zum Injizieren von Elektronen und Löchern in den Nanodraht dar.

Je größer der Durchmesser eines Nanodrahts ist, desto mehr Aluminium kann in hergestellte Strukturen eingebaut werden. Der in dieser Studie entwickelte Nanodraht hatte eine Länge von 440 Nanometern und eine Hüllendicke von 40 Nanometern. Die resultierenden LEDs waren fast 10x größer.

Implementierung der Technologie

Das Team hält bereits ein Patent für ein Gerät, das LED mit Mikrowellen-Rastersondenmikroskopie zum sicheren, kontaktlosen Testen von Halbleiter-Nanostrukturen integriert. Es kann auch verwendet werden, um die Zellstruktur und die Proteinentfaltung zu untersuchen.

Während die in dieser Arbeit untersuchten Strukturen auf die ungefähre Zusammensetzung abzielten, die für die Trägereinschließung erforderlich ist, kann ein höherer Aluminiumanteil den Forschern helfen, die Wellenlänge zu konfigurieren und die Emission/Polarisation im Galliumnitrat-Kern zu kontrollieren. Dies bleibt jedoch ein Thema zukünftiger Arbeiten.

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Derzeit arbeiten Forscher mit zwei privaten Organisationen zusammen, um auf Nanodraht basierende Mikro-LEDs zu entwickeln. Einer von ihnen hat zugestimmt, Techniken zur Dotierstoff- und Strukturcharakterisierung zu entwickeln. Das Team wird in Kürze die Prototypen der LED-Werkzeuge demonstrieren.