導(dǎo)讀

近日，土耳其科克大學(xué)（Ko? University）的研究人員展示了一種基于納米材料的白色發(fā)光二極管（LED），它創(chuàng)造了發(fā)光效率的記錄：105 流明/瓦。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，新型LED可達(dá)到 200 流明/瓦的效率，從而成為一種可用于家庭、辦公室和電視臺(tái)的頗具前景的節(jié)能光源。

背景

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接將電轉(zhuǎn)化為光。

芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心研發(fā)的柔性LED

(圖片來(lái)源：Antti Veijola/芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心)

LED的基本原理是：當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光。LED的核心器件是半導(dǎo)體晶片，晶片由兩部分構(gòu)成：一部分是P型半導(dǎo)體，一部分是N型半導(dǎo)體。兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)，就形成了“P-N結(jié)”。當(dāng)電流作用于晶片時(shí)，電子流向P區(qū)并與空穴結(jié)合，然后以光子形式發(fā)出能量。

然而，發(fā)光的顏色，也就是光的波長(zhǎng)，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。一般來(lái)說(shuō)，砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍(lán)光。

創(chuàng)新

近日，土耳其科克大學(xué)（Ko? University）的研究人員展示了一種基于納米材料的白色發(fā)光二極管（LED），它創(chuàng)造了發(fā)光效率的記錄：105 流明/瓦。發(fā)光效率是光通量與功率的比值，即衡量了光源利用電力產(chǎn)生光線的效率。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，新型LED可以達(dá)到 200 流明/瓦的效率，從而成為一種可用于家庭、辦公室和電視臺(tái)的頗具前景的節(jié)能光源。

量子點(diǎn)白色LED

(圖片來(lái)源：Sedat Nizamoglu, Ko? University)

在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)高影響力研究期刊《Optica》上，研究人員描述了他們是如何創(chuàng)造出這種高效的白色LED的。這種新型LED采用了市場(chǎng)可以買得到的藍(lán)色LED，結(jié)合充滿納米尺寸半導(dǎo)體顆粒（量子點(diǎn)）溶液的柔性透鏡。藍(lán)色LED發(fā)出的光線引起量子點(diǎn)發(fā)出綠光和紅光，并結(jié)合藍(lán)光，創(chuàng)造出白光。

柔性透鏡

(圖片來(lái)源：Sedat Nizamoglu, Ko? University)

技術(shù)

(圖片來(lái)源：參考資料【2】)

為了利用現(xiàn)有的LED制造出白光，研究人員為藍(lán)色LED涂上了基于微黃色磷光體的涂料，從而將藍(lán)光和黃光結(jié)合到一起。因?yàn)榱坠怏w具有較寬的發(fā)射范圍，從藍(lán)色到紅色，所以它難以靈敏地調(diào)諧生成的白光特性。

與磷光體不同，量子點(diǎn)生成的顏色純凈，因?yàn)樗话l(fā)出較窄的頻譜。這種較窄的發(fā)射，通過(guò)將產(chǎn)生不同顏色光線的量子點(diǎn)與藍(lán)色LED相結(jié)合，創(chuàng)造出了具有精確的色溫和光學(xué)特性的高質(zhì)量白光。量子點(diǎn)也具有便于制造的優(yōu)勢(shì)，并且它們的發(fā)光顏色可通過(guò)增加半導(dǎo)體顆粒的尺寸來(lái)改變。進(jìn)一步說(shuō)，改變摻入量子點(diǎn)的濃度，可方便地生成像白熾燈一樣的暖白光源，或者像熒光燈一樣的冷白光源。

盡管目前嵌入到薄膜中的量子點(diǎn)應(yīng)用于LED電視，然而這種照明方案卻不適合廣泛地應(yīng)用于普通照明。研究人員通過(guò)在液體中轉(zhuǎn)移量子點(diǎn)，戰(zhàn)勝了當(dāng)納米材料嵌入到固體聚合物中時(shí)發(fā)生的問(wèn)題性的效率下降。

制造高效的白色LED，要求量子點(diǎn)將藍(lán)光高效地轉(zhuǎn)化為紅光或者綠光。研究人員展開(kāi)了300多項(xiàng)合成反應(yīng)，去分辨最佳條件，例如溫度和反應(yīng)時(shí)間，從而制造出可以發(fā)出不同顏色光線的量子點(diǎn)，同時(shí)表現(xiàn)出最佳的效率。

該校的領(lǐng)導(dǎo)研究員 Sedat Nizamoglu 表示：“制造白光需要集成適量的量子點(diǎn)，而且即使做到了這一點(diǎn)，還需要無(wú)數(shù)的藍(lán)光、綠光和紅光的組合生成白光。我們開(kāi)發(fā)了一種基于我們最近報(bào)告的理論方案的仿真，并采用它判斷適當(dāng)?shù)牧浚约白罴训牧孔狱c(diǎn)顏色組合，從而高效地生成白光。”

為了制造新型LED，研究人員用高溫條件下鎘、硒、鋅、硫混合合成的量子點(diǎn)溶液，填充了聚合物透鏡與LED芯片之間的空間。研究人員采用一種硅樹(shù)脂制造透鏡，因?yàn)閺椥允怪梢詫⑷芤鹤⑷氲酵哥R中，而不會(huì)產(chǎn)生任何泄露，而且材料的透明度保證了必要的光線可以通過(guò)。

研究人員演示，他們基于液體的白色LED可達(dá)到固體薄膜量子點(diǎn)LED的效率的兩倍。他們也通過(guò)采用白色LED照亮7英寸的顯示器，進(jìn)行了演示。

Nizamoglu 表示：“量子點(diǎn)對(duì)于高效的照明應(yīng)用來(lái)說(shuō)極具前景。對(duì)于生成更加高效的照明方案來(lái)說(shuō)，技術(shù)研發(fā)仍然有很大的空間。”

價(jià)值

Nizamoglu表示：“在節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境方面，高效的LED極具潛力。用發(fā)光效率達(dá)200流明/瓦的LED取代傳統(tǒng)光源，可以將全球照明電力消耗減少一大半。這種減少相當(dāng)于230個(gè)典型的500兆瓦煤炭發(fā)電廠的發(fā)電量，并將減少溫室氣體排防達(dá)2億噸。”

他還說(shuō)：“我們的新型LED，比其他基于量子點(diǎn)的白色LED，達(dá)到了更高的效率水平。這種量子點(diǎn)和新型LED的合成與制造方案，對(duì)于制造量子點(diǎn)和新型LED來(lái)說(shuō)，是簡(jiǎn)單、便宜、可量產(chǎn)的。”

未來(lái)

下一步，研究人員正在致力于提升LED的效率，并想要采用環(huán)境友好的無(wú)鎘無(wú)鉛的材料達(dá)到很高的效率水平。他們也在計(jì)劃研究不同條件下的液體LED，保證它們對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定的。

關(guān)鍵字

量子點(diǎn)、LED、半導(dǎo)體

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/quantum_dot_white_leds_achieve_record_efficiency/

【2】Sadra Sadeghi, Baskaran Ganesh Kumar, Rustamzhon Melikov, Mohammad Mohammadi Aria, Houman Bahmani Jalali, Sedat Nizamoglu. Quantum dot white LEDs with high luminous efficiency. Optica, 2018; 5 (7): 793 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000793