Avancerede faciliteter Effektiv produktionSelvom ultraviolet energi kun tegner sig for 5% af sollys, er den meget udbredt i menneskers liv. På nuværende tidspunkt inkluderer UV-lysanvendelser trykhærdning, møntforfalskning, hudsygdomsbehandling, plantevækstlys og skade på molekylstrukturen i mikroorganismer såsom bakterier og vira. Derfor bruges det i vid udstrækning til luftsterilisering, vandrensning og solid overfladesterilisering og desinfektion.
Den traditionelle ultraviolette lyskilde bruger generelt den ophidsede tilstand af kviksølvdampudladning til at generere ultraviolet lys, som har mange defekter, såsom højt strømforbrug, stor varmeproduktion, kort levetid, langsom reaktion og potentielle sikkerhedsrisici. Den nye dybe ultraviolette lyskilde anvender det lysemitterende diode (LED) lysemitterende princip, som har mange fordele i forhold til traditionelle kviksølvlamper. Den vigtigste fordel er, at det ikke indeholder giftigt kviksølv. Med gennemførelsen af Minamata-konventionen indikerer det, at brugen af kviksølvholdige ultraviolette lamper vil blive fuldstændigt forbudt i 2020. Derfor er hvordan man udvikler en ny miljøvenlig og effektiv ultraviolet lyskilde blevet en vigtig udfordring for mennesker. .
Dybe ultraviolette LED'er (DUV LED'er) baseret på bredbånd mellemrumsledermaterialer (GaN, AlGaN) er blevet det eneste valg til denne nye applikation. Dette all-solid-state lyskilde system er lille i størrelse, høj effektivitet og lang levetid. Bare en chip på størrelse med et tommelfingerdæksel, det kan udsende ultraviolet lys, der er stærkere end en kviksølvlampe. Mysteriet med dette afhænger hovedsageligt af det direkte bånd-spaltede halvledermateriale i gruppe III nitrider: elektronerne i ledningsbåndet og hullerne i valensbåndet rekombineres, hvorved der genereres fotoner. Fotonens energi afhænger af materialets forbudte båndbredde. Forskere kan præcist indse emissionen af forskellige bølgelængder ved at justere elementkompositionen i den ternære forbindelse, såsom AlGaN. Det er dog ikke altid let at opnå højeffektiv lysemission af UV-LED'er. Forskere har opdaget, at når elektroner og huller rekombineres, genereres der ikke altid fotoner. Denne effektivitet kaldes intern kvanteeffektivitet (IQE).
Forskergruppen Sun Haiding og Long Shibing fra School of Microelectronics, University of Science and Technology of China og Guo Wei og Ye Jichun fra Ningbo Institute of Materials fra det kinesiske videnskabsakademi har opdaget, at for at øge IQE værdien af UV-LED'er, et underlag, der kan dyrkes gennem AlGaN-materialer-safir Al2O3, styres af skrå vinklen. Forskerne fandt, at når underlagets vinkel på underlaget øges, dislokationer i UV-LED undertrykkes markant, og enhedens lysintensitet forbedres markant. Når det afskårne underlag når 4 grader, øges intensiteten af fluorescensspektret af indretningen med en størrelsesorden, og den interne kvanteeffektivitet har nået et rekordstort 90%.
Forskellig fra den traditionelle UV-LED-struktur er tykkelsen af den potentielle brønd og barrieren i den flerlags kvantebrønd (MQW) ikke ensartet i det lysemitterende lag i denne nye struktur. Ved hjælp af højopløsnings transmissionselektronmikroskopi var forskerne i stand til at analysere kvantbrøndstrukturer på bare et par nanometer i en mikroskopisk skala. Undersøgelser viser, at under substrattrinnet samles gallium (Ga) -atomer, hvilket resulterer i et lokaliseret energibåndets indsnævring, og når filmen vokser, vil Ga- og Al-rige regioner udvide til DUV-LED'er. Overflade og snoet og bøjet i tredimensionelt rum og danner en tredimensionel multi-kvante brøndstruktur.
Forskere kalder dette specielle fænomen: faseseparation af Al- og Ga-elementer og lokalisering af bærere. Det er værd at påpege, at In i det InGaN-baserede blå LED-system er In ikke 100% blandbar med Ga, hvilket resulterer i In- og Ga-rige regioner i materialet, hvilket resulterer i lokale stater og fremmet belastning. Strålende rekombination af bærere. I AlGaN-materialesystemer ses faseseparation af Al og Ga imidlertid sjældent. En af de vigtige betydninger af dette arbejde er, at væksttilstanden for materialet kunstigt justeres for at fremme faseseparation og således i høj grad forbedre de lysemitterende egenskaber ved indretningen.
Ved at optimere den epitaksiale vækstjustering på et 4-graders skrå underlag, undersøgte forskerne en optimal DUV LED-struktur. Bærernes levetid for denne struktur overstiger 1,60 ns, hvilket generelt er lavere end 1ns i traditionelle apparater. Yderligere testning af chipens lysstyrke fandt forskerne, at dens ultraviolette lysstyrke var mere end det dobbelte af traditionelle enheder, der er baseret på et 0.2-graders skråt underlag. Dette er mere sikkert bevis på, at AlGaN-materialer kan opnå effektiv faseseparation og bærerlokalisering. Derudover simulerede eksperimenterne faseseparationsfænomenet inde i AlGaN multiple kvantebrønde og virkningerne af ujævnheden af den potentielle brønd og barriere tykkelse på lysintensiteten og bølgelængden gennem teoretiske beregninger. De teoretiske beregninger er i god overensstemmelse med eksperimenterne.
Forskningsresultaterne blev i fællesskab afsluttet af professorer Dai Jiangnan og Chen Changqing fra Huazhong University of Science and Technology, professor Zhang Zihui fra Hebei University of Technology og professor Boon Ooi og professor Iman Roqan fra King Abdullah University of Science and Technology. Forskere mener, at denne forskning vil give nye ideer til udvikling af højeffektive UV-lyskilder i fast fast tilstand. Denne idé kræver ikke dyre mønstrede underlag eller komplicerede epitaksiale vækstprocesser. Og bare afhængige af justeringen af underlagets vinkel på underlaget og tilpasningen og optimeringen af de epitaksiale vækstparametre, forventes det, at UV-lysdiodernes lysende egenskaber vil blive forbedret til et niveau, der kan sammenlignes med det for blå lysdioder, der lægger en test til store applikationer af dyb UV-LED'er med høj effekt og teoretisk basis. De relaterede resultater er titlen "Entydigt forbedret ultraviolet luminescens af AlGaN bølget kvantebrønnskonstruktion dyrket på stort misorienteret safirunderlag" og offentliggjort online på Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).