Ультрафиолетовые светодиоды используются во все большем числе приложений, таких как отверждение полимеров, очистка воды и медицинская дезинфекция. Микро-светодиоды также представляют интерес для визуальных дисплеев. Сотрудники NIST экспериментируют со светодиодами на основе нанопроволоки для наконечников сканирующих датчиков, предназначенных для приложений электроники и биологии.
Новые, более яркие светодиоды являются результатом опыта NIST в создании высококачественных нанопроволок нитрида галлия (GaN). В последнее время исследователи экспериментируют с сердцевинами нанопроволоки из GaN, легированного кремнием, в котором есть дополнительные электроны, окруженные оболочками из GaN, легированного магнием, который имеет избыток «дырок» для недостающих электронов. Когда электрон и дырка объединяются, энергия выделяется в виде света – процесс, известный как электролюминесценция.
Группа NIST ранее демонстрировала светодиоды, которые производили свет, приписываемый электронам, инжектированным в слой оболочки для рекомбинации с дырками. Новые светодиоды имеют крошечный кусочек алюминия, добавленный в слой оболочки, что снижает потери от переполнения электронов и обратного поглощения света.
Как описано в журнале Nanotechnology, более яркие светодиоды изготавливаются из нанопроволок с так называемой «p-i-n» структурой, трехслойной конструкцией, которая вводит электроны и дырки в нанопроволоку. Добавление алюминия в оболочку помогает удерживать электроны в сердцевине нанопроволоки, усиливая электролюминесценцию в пять раз.
«Роль алюминия состоит в том, чтобы внести асимметрию в электрический ток, который предотвращает протекание электронов в слой оболочки, что снижает эффективность, и вместо этого ограничивает электроны и дырки сердцевиной нанопроволоки», – сказал первый автор Мэтт Брубейкер.
Тестовые структуры нанопроволоки имели длину около 440 нанометров (нм) с толщиной оболочки около 40 нм.
Конечные светодиоды, включая корпуса, были почти в 10 раз больше. Исследователи обнаружили, что количество алюминия, включенного в изготовленные структуры, зависит от диаметра нанопроволоки.
Лидер группы Крис Бертнесс сказал, что по крайней мере две компании разрабатывают микро-светодиоды на основе нанопроволок, и NIST заключил с одной из них Соглашение о совместных исследованиях и разработках для разработки методов определения легирующих примесей и структурных характеристик.
Исследователи провели предварительные обсуждения с производителями сканирующих датчиков об использовании светодиодов NIST в их наконечниках датчиков, и NIST планирует вскоре продемонстрировать прототип светодиодных инструментов.
Команда NIST держит U.S. Патент 8,484,756 на прибор, сочетающий микроволновую сканирующую зондовую микроскопию со светодиодом для неразрушающего бесконтактного контроля качества материалов для важных полупроводниковых наноструктур, таких как каналы транзисторов и отдельные зерна в солнечных элементах.
Зонд также может быть использован для биологических исследований разворачивания белков и структуры клеток.