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科学家意外发明全新LED规划,发光功率提高1000倍

发光二极管是现代住所、工业和轿车照明等范畴广泛运用的抱负照明光源,可是 LED 却有种技能约束被称为 “光效下降” 效应。

这种约束浅显来讲,便是 LED 只在低电流 (仅几十毫安) 下能够最有用地作业,而跟着输入电流的增大,发光功率反而会逐步下降。这意味着要保持照明功率,LED 有必要在较低的电流下作业,且由于 LED“光效下降”效应,咱们有必要增大 LED 器材的面积,或在一个灯泡中添加更多的 LED,从而在不献身功率的一起添加亮度,这不仅约束了一切商用 LED 的功能进步,也将亚微米级 LED 和激光器的输出功率约束为纳瓦。

不过,新的研讨发现可能会从根本上改动这种状况。日前,由美国国家标准与技能研讨所牵头的科研小组开发了一种新式 LED 规划:“鳍式”LED,这种规划能够发生微瓦级的输出功率,比现有的纳米级 LED 和激光器高出约 1000 倍,可能是战胜 LED 光源功率约束的要害一步。

该研讨小组还包含来自马里兰大学、伦斯勒理工学院和 IBM 托马斯 ·J· 沃森研讨中心的多位科学家,论文宣布在《科学发展》杂志上,LED 亮度的大幅进步以及发生激光的才能等特性,都有望使该技能发生更多衍生价值。

图|“鳍式”LED 像素规划包含发光的氧化锌“鳍”、阻隔介电资料和金属触点

NIST 担任构思 LED 新规划的专家巴巴克 · 尼古巴赫说:“这是制作 LED 的全新架构,咱们运用的资料与传统 LED 相同,差异在于它们的形状不同。”

LED 早在 1962 年就由美国通用电气公司研讨员尼克 · 何伦亚克创造,开端只要赤色。2014 年度,诺贝尔物理学奖颁发了三名日本科学家,以赞誉他们创造了蓝光 LED 技能,创始了照明新时代。

尽管有几十年的技能发展史,但即使是现代的 LED 产品,其局限性也使它们的规划师们感到懊丧。在某种程度上,给一个 LED 输入更多的电能会使它发光更亮堂,可是到达一个临界点后,就会只剩作业温度剧增,而亮度却会大幅衰减,这使得 LED 的光效输出一向难有打破,假如能够消除 LED 光效下降问题,咱们就能够简略地经过添加驱动电流来使 LED 变得更亮。

有意思的是,研讨人员开发的新规划,开端并不是为了着手处理 “光效下降” 这个问题,他们原计划制作一种微型 LED,用于十分小的运用,例如 NIST 正在研讨的芯片试验室技能。

研讨小组对 LED 发光部分进行了全新的构建:与惯例 LED 所选用的平面规划不同,他们运用长而细的氧化锌线束构建了光源,每个鳍的长度仅约 5 微米,大约是人类头发均匀宽度的十分之一,它们组成的鳍阵列看起来像一个细小的梳子,能够延伸到 1 厘米或更大的区域。

图|鳍式 LED 像素和阵列光学图像

尼古巴赫说:“咱们看到了鳍片的时机,由于我以为鳍片的细长形状和较大的旁边面能够接纳更多的电流。一开端咱们仅仅想测验一下新规划的‘极限’,咱们开端加大电流,想办法把它开到烧坏停止,但它总是越来越亮。”

典型的面积小于平方微米的 LED 发光功率约为 22 纳瓦,但这种新式 LED 最多可发生 20 微瓦,将发光功率最高进步近 1000 倍。这表明该规划战胜了 LED 的光效下降妨碍,从而使光源更亮堂。

“这是我见过的最有用的处理方案之一。”南卡罗来纳大学电气工程教授格里戈里 · 西敏点评说,学界和产业界多年来一向致力于进步 LED 的功率,而其他办法在运用于亚微米级的 LED 时一般会遇到技能问题,这种办法却做得很好。”

图|在高电流密度下,鳍式 LED 过渡到鳍式激光器

当在试验中不断加大电流时,研讨小组又有了一个惊人发现。尽管 LED 起先在必定波长范围内发光,但其最终会缩小为深紫色的两个波长,他们的微型 LED 居然变成了一个细小的激光器,试验记录到的电流密度为 1000 kA/cm 2,LED 转换为激光,亮度超越 20 微瓦。

“将 LED 转换成激光需求很大的尽力。一般,需求将 LED 耦合到谐振腔,谐振腔才能使光线反弹以发生激光。” 尼古巴赫说。“但鳍式规划能够独立完结悉数作业。”微型激光器的运用也十分多,不仅在化学传感方面,并且鄙人一代手持式通讯产品、高清显示器和消毒方面也是如此。

尼古巴赫以为:“这种全新 LED 规划作为重要的构建基块具有很大的潜力。” “尽管这不是人们制作的最小的激光器,但它是一个十分亮堂的激光器,且不存在功率下降的问题,将会大有用途。”

研讨定论中指出,这项发现令人鼓舞,代表了 LED 规划体系结构的重要一步,能够战胜 LED 中的 “电流密度下降” 和“温度下降”效应,以最大化其每个像素可完成的输出功率。

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