Forskare vid Lunds Tekniska Högskola (LTH) har utvecklat en ny typ av lysdiod baserad på tunna grenar i en nanostruktur, som enligt forskarna i framtiden kan ge betydligt högre verkningsgrad och lägre produktionskostnad än dagens teknik. Genom att styra var i strukturen ljuset genereras har man lyckats minska de förluster som annars begränsar hur mycket ljus som kan användas.
I material som används för konventionella lysdioder, såsom LED-lampor, fastnar en stor del av ljuset inuti materialet på grund av så kallad total intern reflektion. Fenomenet innebär att endast en liten andel av ljuset faktiskt kommer ut, trots att det genereras inuti materialet. Den nya designen syftar till att kringgå detta problem. Metoden bygger på att ljusemissionen sker i mycket tunna sidogrenar som växer ut från en central nanotråd.
– Om strukturerna görs tillräckligt tunna, tunnare än ljusets våglängd, kan ljuset inte fångas inuti materialet på samma sätt. I teorin skulle det kunna möjliggöra ett mycket högt ljusutbyte. Teoretiskt skulle man kunna få ut i princip allt ljus, säger Magnus Borgström, professor i fasta tillståndets fysik vid LTH i ett pressmeddelande.
Billigare lysdioder
I de material som används för dagens lysdioder kommer bara cirka fyra procent av ljuset ut utan extra ytbehandling. För att öka verkningsgraden använder forskarna sig därför av olika tekniker och behandlingar av materialet för att öka effekten. Om den nya tekniken fungerar skulle man kunna undvika dessa fördyrande processer.
Tekniken bygger på nanotrådar där en central kärna används för att injicera laddningsbärare, medan själva ljusemissionen sker i tunna sidogrenar. Genom att utforma kärnan så att den inte själv lyser har forskarna kunnat visa att ljuset verkligen genereras i grenarna – och inte genom återabsorption av ljus ifrån kärnan.
– Det här var en viktig fråga för oss att besvara. Våra resultat visar att ljuset genereras där vi vill ha det, vilket är avgörande för att tekniken ska fungera, säger Yue Zhao, doktorand i fasta tillståndets fysik och medförfattare till studien.
Stor potential för den nya tekniken
Även om tekniken fortfarande befinner sig på forskningsstadiet och ännu är långt ifrån att nå upp till verkningsgraden hos kommersiella lysdioder, ser forskarna stor potential. En fördel som forskarna lyfter fram är att strukturerna kan tillverkas på nanoskala, vilket innebär att mindre material kan användas och att tillverkningskostnader på sikt kan minska.
Forskargruppen arbetar nu vidare med att förbättra verkningsgraden. En central utmaning är att minska förluster kopplade till ytdefekter i de nanostrukturer som används.
– Att tekniken fungerar överhuvudtaget är ett viktigt första steg. Nu handlar det om att optimera materialen och strukturerna för att nå högre verkningsgrad, säger Magnus Borgström.
Enligt LTH kommer den nya tekniken på sikt bidra till mer energieffektiva ljuskällor och få betydelse för allt från allmänbelysning till avancerade optoelektroniska tillämpningar.
Läs mer i artikeln: Diffusion-driven light emission in branched GaInP nanowire LEDs enabled by indirect–direct bandgap engineering
