Nanotrådsexperter vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tillverkat lysdioder i form av nanotrådar som avger ultraviolett ljus och som tack vare en speciell typ av skal producerar fem gånger högre ljusintensitet än jämförbara lysdioder baserade på en enklare skaldesign.
Modell av en nanotrådsbaserad lysdiod som visar att en tillsättning av lite aluminium till skalskiktet (svart) leder all rekombination av elektroner och hål (utrymmen för elektroner) till nanotrådens kärna (multifärgad region), vilket ger ett mer intensivt ljus.
Bild: NIST
Ultravioletta lysdioder används i ett växande antal applikationer som till exempel polymerhärdning, vattenrening och medicinsk desinfektion. Mikro-LEDs är också av intresse för visuella displayer. Personal vid NIST-experimenterar med nanotrådsbaserade lysdioder även för sondspetsar till scanning avsedda för elektronik- och biologiapplikationer.
De nya starkare lysdioderna är ett resultat av NISTs sakkunskap kring tillverkning av högkvalitativa nanotrådar i galliumnitrid (GaN). På senare tid har forskare experimenterat med nanokärnor gjorda av kiseldopad GaN som har extra elektroner. Dessa nanokärnor omges av skal i magnesiumdopad GaN, som har ett överskott av ”hål” för saknade elektroner. När en elektron och ett hål stöter på varandra frigörs energi i form av ljus – en process som kallas elektroluminescens.
Forskargruppen vid NIST har tidigare demonstrerat GaN-lysdioder som producerade ljus genom att elektroner injicerades i skalskiktet och därpå rekombinerades med hål. De nya lysdioderna har en liten bit aluminium tillsatt till skalskiktet, vilket minskar förlusterna från elektronflödet och ljusreabsorptionen.
Som NIST beskriver i journalen Nanotechnology tillverkas de starkare lysdioderna från nanotrådar med en så kallad ”p-i-n”-struktur, en trilagerskonstruktion som sprutar elektroner och hål in i nanotråden. Tillsatsen av aluminium till skalet hjälper till att begränsa elektronerna till nanotrådens kärna, vilket ökar elektroluminiscensen femfaldigt.
– Aluminiumets roll är att introducera en asymmetri i den elektriska strömmen som förhindrar att elektroner flyter in i skalskiktet, vilket skulle minska effektiviteten, och istället begränsar elektroner och hål till nanotrådens kärna, säger huvudförfattaren till artikeln Matt Brubaker.
Nanotrådens teststrukturer var cirka 440 nanometer (nm) långa med en skaltjocklek på cirka 40 nm. De slutliga lysdioderna, inklusive skalen, var nästan 10 gånger större. Forskare fann här att mängden aluminium inkorporerad i de tillverkade strukturerna beror på nanotrådens diameter.
Gruppledaren Kris Bertness säger i ett pressmeddelande att minst två företag utvecklar mikro-LEDs baserat på nanotrådar, och att NIST har ett FoU-samarbetsavtal med en av dem för att utveckla dopant och strukturella karakteriseringsmetoder. Forskarna har även haft preliminära diskussioner med företag som tillverkar scanning-sonder om att använda NISTs nya lysdioder i deras sondspetsar och planerar att snart kunna visa upp prototyp-LED-verktyg.
NIST-teamet har patenterat (US-patent 8,484,756) ett instrument som kombinerar mikrovågs scanningsmikroskopi med en LED för icke-destruktiv, kontaktlös testning av materialkvalitet för viktiga halvledarnanostrukturer, såsom transistorkanaler och individuella korn i solceller. Sonden kan också användas för biologisk forskning inom proteinutveckling och cellstruktur.
