Edistyneet tilat Tehokas tuotantoVaikka ultraviolettienergia muodostaa vain 5% auringonvalosta, sitä käytetään laajasti ihmisen elämässä. Tällä hetkellä UV-valonsovelluksiin sisältyy painatuskovetus, kolikoiden väärentämisen torjunta, ihosairauksien hoito, kasvien kasvuvalo ja mikro-organismien, kuten bakteerien ja virusten, molekyylirakenteen vaurioituminen. Siksi sitä käytetään laajasti ilman steriloinnissa, veden puhdistuksessa ja kiinteän pinnan steriloinnissa ja desinfioinnissa.
Perinteisessä ultraviolettivalolähteessä käytetään yleensä elohopeahöyryn purkautunutta tilaa ultraviolettivalon tuottamiseksi, jolla on monia vikoja, kuten suuri virrankulutus, suuri lämmöntuotto, lyhyt käyttöikä, hidas vaste ja mahdolliset turvallisuusriskit. Uusi syvä ultraviolettivalolähde käyttää LED-valoa säteilevää periaatetta, jolla on monia etuja perinteisiin elohopealamppuihin nähden. Tärkein etu on, että se ei sisällä myrkyllistä elohopeaa. Minamata-yleissopimuksen täytäntöönpanon myötä se osoittaa, että elohopeaa sisältävien ultraviolettivalaisimien käyttö kielletään kokonaan vuonna 2020. Siksi uuden ympäristöystävällisen ja tehokkaan ultraviolettivalolähteen kehittämisestä on tullut tärkeä haaste ihmisille. .
Syvän ultraviolettivalon LEDistä (DUV LED), jotka perustuvat laajakaistarakoisiin puolijohdemateriaaleihin (GaN, AlGaN), on tullut tämän uuden sovelluksen ainoa valinta. Tämä täysin puolijohdevalonlähdejärjestelmä on kooltaan pieni, tehokas ja pitkä käyttöikä. Vain siru peukalon kannen kokoisena voi emittoida ultraviolettivaloa, joka on voimakkaampaa kuin elohopealamppu. Tämän mysteeri riippuu pääasiassa ryhmän III nitridien suorasta kaistaväli puolijohdemateriaalista: johtamiskaistan elektronit ja valenssikaistan reikät yhdistyvät, jolloin muodostuu fotoneja. Fotonin energia riippuu materiaalin kielletystä kaistaleveydestä. Tutkijat voivat tarkasti toteuttaa eri aallonpituuksien säteilyn säätämällä elementtikoostumusta kolmiosaisessa yhdisteessä, kuten AlGaN. Suorituskykyisten UV-LEDien valotehokkuutta ei kuitenkaan aina ole helppo saavuttaa. Tutkijat ovat havainneet, että kun elektronit ja reiät yhdistyvät, fotoneja ei aina muodostu. Tätä tehokkuutta kutsutaan sisäiseksi kvantitehokkuudeksi (IQE).
Kiinan tiede- ja tekniikkayliopiston mikroelektroniikan koulun Sun Haiding- ja Long Shibing -ryhmät sekä Kiinan tiedeakatemian Ningbo-materiaalinstituutin Guo Wei ja Ye Jichun ovat huomanneet, että IQE: n lisäämiseksi AlGaN-materiaalien kautta kasvatettavan substraatin, UV-ledien, arvoa - safiiri Al2O3 säätelee viistokulmaa. Tutkijat havaitsivat, että kun substraatin viistekulmaa kasvatetaan, UV-LED: n sisällä olevat sijoitukset vaimentuvat merkittävästi ja laitteen valovoima paranee huomattavasti. Kun viistetty substraatti saavuttaa 4 astetta, laitteen fluoresenssispektrin voimakkuutta lisätään suuruusluokalla, ja sisäinen kvanttitehokkuus on saavuttanut ennätysmääräisen 90%.
Poiketen perinteisestä UV-LED-rakenteesta potentiaalikuopan ja este monikerroksisessa kvanttikuopassa (MQW) ei ole tasainen valoa säteilevässä kerroksessa tämän uuden rakenteen sisällä. Korkean resoluution siirtoelektronimikroskopian avulla tutkijat pystyivät analysoimaan kvanttikaivojen rakenteita vain muutamalla nanometrillä mikroskooppisessa mittakaavassa. Tutkimukset osoittavat, että substraattivaiheessa gallium (Ga) -atomit aggregoituvat, mikä johtaa paikalliseen energiakaistaan kapenemaan, ja kalvon kasvaessa Ga- ja Al-rikkaat alueet ulottuvat DUV-LEDeihin. Pinta, ja kierretty ja taivutettu kolmiulotteiseen avaruuteen, muodostaen kolmiulotteisen monikvanttisen kaivorakenteen.
Tutkijat kutsuvat tätä erityistä ilmiötä: Al- ja Ga-elementtien vaiheerottelua ja kantajien lokalisointia. On syytä huomauttaa, että InGaN-pohjaisessa sinisessä LED-järjestelmässä In ei ole 100-prosenttisesti sekoittuva Ga: n kanssa, mikä johtaa materiaalin In- ja Ga-rikkaisiin alueisiin, mikä johtaa paikallisiin tiloihin ja edistää lastausta. Kantajien säteilyrekombinaatio. AlGaN-materiaalijärjestelmissä Al: n ja Ga: n faasierottelu tapahtuu kuitenkin harvoin. Yksi tämän työn tärkeä merkitys on se, että materiaalin kasvutilaa säädetään keinotekoisesti faasierottelun edistämiseksi ja siten parannetaan huomattavasti laitteen valoa säteileviä ominaisuuksia.
Optimoimalla epitaksiaalisen kasvun säätö 4-asteen viistosubstraatissa tutkijat etsivät optimaalista DUV-LED-rakennetta. Tämän rakenteen kantoaaltoikä on yli 1,60 ns, mikä on yleensä alle 1ns perinteisissä laitteissa. Testaamalla sirun valovoimaa edelleen, tutkijat havaitsivat, että sen ultraviolettivaloteho oli yli kaksi kertaa suurempi kuin perinteisillä laitteilla, jotka perustuvat 0,2-asteen viistosubstraattiin. Tämä on varmempi todiste siitä, että AlGaN-materiaalit voivat saavuttaa tehokkaan faasierottelun ja kantajan lokalisoinnin. Lisäksi kokeilijat simuloivat teoreettisten laskelmien avulla vaiheiden erotteluilmiötä AlGaN-monikvanttikaivojen sisällä ja potentiaalikuopan ja estepaksuuden epätasaisuuden vaikutuksia valovoimaan ja aallonpituuteen. Teoreettiset laskelmat ovat sopusoinnussa kokeiden kanssa.
Tutkimustulokset valmistivat yhdessä Huazhongin teknillisen yliopiston professorit Dai Jiangnan ja Chen Changqing, Hebein teknillisen yliopiston professori Zhang Zihui sekä kuningas Abdullahin teknillisen yliopiston professori Boon Ooi ja professori Iman Roqan. Tutkijat uskovat, että tämä tutkimus tarjoaa uusia ideoita erittäin tehokkaiden täysin puolijohde-UV-valonlähteiden kehittämiseksi. Tämä idea ei vaadi kalliita kuvioituja substraatteja tai monimutkaisia epitaksiaalisia kasvuprosesseja. Ja kun vedotaan vain substraatin viistekulman säätämiseen ja epitaksiaalisten kasvuparametrien sovittamiseen ja optimointiin, odotetaan, että UV-LEDien valaistusominaisuudet paranevat tasolle, joka on verrattavissa sinisten LEDien valoon, testi suuritehoisten syvä UV-led-ledien laajamittaisiin sovelluksiin Ja teoreettinen perusta. Aiheeseen liittyviä tuloksia otsikoidaan "AlGaN-aaltoilevien kvantti-kaivosrakenteiden yksiselitteisesti parannetusta ultraviolettivalaistuksesta, jota on kasvatettu suuressa väärässä safiirialustassa" ja julkaistu verkossa Advanced Functional Materials -palvelussa (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).