Πώς τα LED ανέκτησαν τη λάμψη τους
Οι μικροσκοπικές και αποτελεσματικές δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) υποτίθεται ότι είναι το λαμπρό μέλλον του φωτισμού. Αλλά αποδίδουν καλύτερα μόνο σε χαμηλή ισχύ, αρκετή για έναν φακό ή την οθόνη του κινητού σας τηλεφώνου. Αν αυξήσετε το ρεύμα αρκετά ώστε να φωτίζουν ένα δωμάτιο σαν μια παλιομοδίτικη λάμπα πυρακτώσεως, η αξιοσημείωτη απόδοσή τους είναι καταιγιστική. Ονομάζεται LED droop, και είναι ένα πραγματικό πρόβλημα για τη βιομηχανία. Τώρα, οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο για να αναπτύξουν πιο αποτελεσματικά LED που παίρνουν περισσότερη ώθηση από την ίδια ποσότητα ρεύματος - ειδικά στα δύσκολα στην κατασκευή πράσινα και μπλε μέρη του φάσματος.
Τα LED μοιάζουν με σάντουιτς, με στρώματα ημιαγωγών που χτυπούν ανάμεσα σε μεταλλικά ηλεκτρόδια. Όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένες «τρύπες» ωθούνται στη μέση του σάντουιτς και συνδυάζονται, εκπέμποντας φως.
Ακούγεται ξεκάθαρο. Αλλά υπάρχει συχνά ένα πρόβλημα. Στα μπλε και πράσινα LED, το στρώμα ημιαγωγών στο κέντρο είναι συνήθως κατασκευασμένο από νιτρίδιο του γαλλίου. Καθώς το ρεύμα που διέρχεται από το LED αυξάνεται, το στρώμα νιτριδίου του γαλλίου της διόδου δημιουργεί το δικό του ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το δεύτερο πεδίο απομακρύνει θετικά και αρνητικά φορτία που εισέρχονται ορμητικά από τα ηλεκτρόδια και τα εμποδίζει να συνδυαστούν και να εκπέμψουν φως. Όσο μεγαλύτερο το ρεύμα αυξάνεται, τόσο μεγαλύτερο γίνεται το δεύτερο πεδίο και τόσο πιο δύσκολο είναι να συνδυαστούν τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες. Η αποτελεσματικότητα πέφτει. Αυτή η πτώση γίνεται γρήγορα τόσο κακή που τα LED χάνουν το πλεονέκτημα κόστους σε σχέση με τους πολύ λιγότερο αποδοτικούς αλλά φθηνότερους στην κατασκευή λαμπτήρες φθορισμού και κανονικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως.
Τώρα, ο επιστήμονας υλικών Yuji Zhao και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, έχουν βρει έναν τρόπο να ελαχιστοποιήσουν το ηλεκτρικό πεδίο που απορροφά την απόδοση. Το νιτρίδιο του γαλλίου για LED καλλιεργείται συνήθως σε υποστρώματα από ζαφείρι ή καρβίδιο του πυριτίου. Δυστυχώς, ο ευκολότερος τρόπος για να το αναπτυχθεί - και ο τρόπος που το κάνει κάθε εμπορικός προμηθευτής - ενθαρρύνει τους κρυστάλλους του νιτριδίου του γαλλίου να σχηματιστούν κατά μήκος ενός "πολικού" προσανατολισμού που μεγιστοποιεί το ηλεκτρικό πεδίο που απορροφά την απόδοση.
Ο όμιλος του Zhao έλαβε ένα ειδικό υπόστρωμα από τη Mitsubishi Chemical Corporation. Αυτό το υπόστρωμα, το ίδιο κατασκευασμένο από νιτρίδιο γαλλίου, ενθάρρυνε τις διόδους νιτριδίου του γαλλίου να αναπτυχθούν σε έναν πολύ συγκεκριμένο κρυσταλλικό προσανατολισμό, κοντά αλλά διαφορετικό από τον πολικό προσανατολισμό που χρησιμοποιείται συνήθως. Εξάλειψε το μεγαλύτερο μέρος του ανεπιθύμητου ηλεκτρικού πεδίου. Άλλες ομάδες έχουν φτιάξει διόδους με μη πολικό και ημιπολικό προσανατολισμό, αλλά καμία από αυτές δεν ήταν τόσο επιτυχημένη στη μείωση της πτώσης. Η ομάδα του Zhao δημιούργησε ένα μπλε LED με μέγιστη απόδοση 52% στα 20 mA. Ακόμη και όταν το ρεύμα αυξάνεται κατά 10 φορές, η απόδοση πέφτει λιγότερο από 14%. Ένα τυπικό LED θα έχανε περισσότερο από το 60% της απόδοσής του με τόσο ρεύμα να διέρχεται από αυτό. Η ομάδα θα παρουσιάσει την έρευνά της στις 10 Μαΐου στο Συνέδριο για τα Λέιζερ και την Ηλεκτρο-Οπτική στο Σαν Χοσέ.
«Αυτή είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση που θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των LED», λέει ο Εμμανουήλ Κιουπάκης, επιστήμονας υπολογιστικών υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, Αν Άρμπορ. Λέει ότι τα αποτελέσματα του Zhao δεν είναι απλώς μια άμεση επίδραση του μειωμένου ανεπιθύμητου ηλεκτρικού πεδίου, αλλά και επειδή το αναπροσανατολισμένο νιτρίδιο του γαλλίου μειώνει τις ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-οπής που παράγουν θερμότητα αντί για φως.
Αυτήν τη στιγμή, το ειδικά προετοιμασμένο υπόστρωμα που χρησιμοποιούσαν ο Zhao και οι συνεργάτες του είναι ακριβό και δύσκολο να το αποκτήσετε. Ωστόσο, η δυνητική αγορά είναι τεράστια:Οι αποδοτικές λυχνίες LED με δυνατότητα φωτισμού των δωματίων θα προσελκύσουν τους ανθρώπους τόσο στις ανεπτυγμένες χώρες που θέλουν περισσότερη απόδοση όσο και στις αναπτυσσόμενες χώρες που θέλουν να λειτουργήσουν με περιορισμένη ισχύ.
