由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種新型發(fā)光二極管(LED)可能是克服長(zhǎng)期以來(lái)光源效率限制的關(guān)鍵。這一概念在實(shí)驗(yàn)室用微型LED進(jìn)行了演示，實(shí)現(xiàn)了亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力——所有這些特性都使其在大規(guī)模和小型化應(yīng)用中具有極高的價(jià)值。
該團(tuán)隊(duì)還包括來(lái)自馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和IBM托馬斯·J·沃森研究中心的科學(xué)家，他們的研究發(fā)表在同行評(píng)議期刊《科學(xué)進(jìn)展》上，論文中詳細(xì)介紹了他們的工作。他們的設(shè)備顯示亮度比傳統(tǒng)的亞微米大小的LED設(shè)計(jì)增加了100到1000倍。
“這是制造LED的新架構(gòu)。”NIST的Babak Nikoobakht說(shuō)，他構(gòu)思了這個(gè)新設(shè)計(jì)。“我們使用與傳統(tǒng)LED相同的材料。我們的不同之處在于它們的形狀。”
LED燈已經(jīng)存在了幾十年，但明亮的LED的研發(fā)贏得了諾貝爾獎(jiǎng)，并開(kāi)啟了照明的新時(shí)代。然而，即使是現(xiàn)代的LED也有它的局限性，這讓它們的設(shè)計(jì)者感到沮喪。在一定程度上，增加LED的電量會(huì)使其發(fā)光更加明亮，但很快亮度就會(huì)降低，使得LED的效率非常低。這個(gè)被業(yè)界稱為“效率下降”的問(wèn)題阻礙了LED在從通信技術(shù)到殺毒等許多有前景的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。
盡管研究人員的新型LED設(shè)計(jì)克服了效率下降的問(wèn)題，但研究人員最初并不是奔著解決這個(gè)問(wèn)題去的。他們的主要目標(biāo)是創(chuàng)造一種微型LED，用于非常小的應(yīng)用，比如NIST和其他地方的科學(xué)家正在追求的芯片上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。
研究小組對(duì)發(fā)光的LED部分進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn):與傳統(tǒng)LED中使用的平面設(shè)計(jì)不同，研究人員用又長(zhǎng)又薄的氧化鋅線制造了一種光源，他們稱之為鰭。(“長(zhǎng)”和“瘦”是相對(duì)而言的:每個(gè)鰭只有大約5微米長(zhǎng)，大約是人類平均頭發(fā)寬度的十分之一。)它們的鰭陣列看起來(lái)像一個(gè)小梳子，可以延伸到1厘米或更多的區(qū)域。
“我們?cè)隰~(yú)鰭上看到了商機(jī)，因?yàn)槲艺J(rèn)為它們細(xì)長(zhǎng)的形狀和較大的側(cè)面可能能夠接收到更多的電流。”Nikoobakht說(shuō)，“一開(kāi)始，我們只是想衡量一下新設(shè)計(jì)能承受多大的壓力。我們開(kāi)始增加電流，想把它燒完，但它卻越來(lái)越亮。”
研究人員的新設(shè)計(jì)能發(fā)出橫跨紫色和紫外光邊界的明亮波長(zhǎng)，產(chǎn)生的能量是典型的小型LED的100到1000倍。Nikoobakht把這個(gè)結(jié)果描述為一個(gè)重要的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)。
他說(shuō):“一個(gè)典型的面積小于1平方微米的LED發(fā)光功率約為22納瓦，但這種LED能產(chǎn)生高達(dá)20微瓦的功率。”“這表明，這種設(shè)計(jì)可以克服led的效率下降，使光源變得更亮。”
“這是我見(jiàn)過(guò)的最有效的解決方案之一。”沒(méi)有參與該項(xiàng)目的南卡羅來(lái)納大學(xué)電子工程教授格里戈里·西敏(Grigory Simin)說(shuō)。該組織多年來(lái)一直致力于提高LED的效率，而其他方法在應(yīng)用于亞微米波長(zhǎng)LED時(shí)往往會(huì)遇到技術(shù)問(wèn)題。這種方法很有效。”
在增加電流的同時(shí)，研究小組還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。雖然LED起初在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)光，但它相對(duì)較寬的發(fā)射最終縮小到兩個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)烈紫色。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：他們的微型LED變成了微型激光器。
“將LED轉(zhuǎn)換成激光需要很大的努力。它通常需要將LED與諧振腔耦合，使光在諧振腔周圍反射，從而產(chǎn)生激光�？磥�(lái)鰭的設(shè)計(jì)可以自己完成整個(gè)工作，而不需要增加另一個(gè)空腔。”
一個(gè)微型激光器對(duì)于芯片規(guī)模的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不僅在化學(xué)傳感領(lǐng)域，而且在下一代手持通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面至關(guān)重要。
“它有很大潛力成為一個(gè)重要的組成部分。” Nikoobakht說(shuō)，“雖然這不是人們制造的最小的激光，但它非常明亮。如果效率沒(méi)有下降，它就會(huì)有用。”
