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【新浪科技综合】科学家意外创造全新LED设计,发光功率提升1000倍,还能转换成激光新浪科技综合2020-08-24 09:11:270阅

来源： DeepTech深科技
发光二极管（LED）是现代住宅、工业和汽车照明等领域广泛应用的理想照明光源 ， 但是 LED 却有种技术限制被称为 “光效下降” 效应 。
这种限制通俗来讲 ， 就是 LED 只在低电流 （仅几十毫安） 下可以最有效地工作 ， 而随着输入电流的增大 ， 发光效率反而会逐渐降低 。 这意味着要维持照明效率 ， LED 必须在较低的电流下工作 ， 且由于 LED“光效下降”效应 ， 我们必须增大 LED 器件的面积 ， 或在一个灯泡中增加更多的 LED ， 从而在不牺牲效率的同时增加亮度 ， 这不仅限制了所有商用 LED 的性能提升 ， 也将亚微米级 LED 和激光器的输出功率限制为纳瓦 。
不过 ， 新的研究发现可能会从根本上改变这种情况 。 日前 ， 由美国国家标准与技术研究所（NIST）牵头的科研小组开发了一种新型 LED 设计：“鳍式”LED（Fin LED） ， 这种设计可以产生微瓦级的输出功率 ， 比现有的纳米级 LED 和激光器高出约 1000 倍 ， 可能是克服 LED 光源效率限制的关键一步 。
该研究小组还包括来自马里兰大学、伦斯勒理工学院和 IBM 托马斯 ·J· 沃森研究中心的多位科学家 ， 论文发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上 ， LED 亮度的大幅提高以及产生激光的能力等特性 ， 都有望使该技术产生更多衍生价值 。
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图1/4图|“鳍式”LED 像素设计包括发光的氧化锌“鳍”（紫色）、隔离介电材料（绿色）和金属触点（黄色）（来源：NIST）NIST 负责构思 LED 新设计的专家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）说：“这是制造 LED 的全新架构 ， 我们使用的材料与传统 LED 相同 ， 区别在于它们的形状不同 。 ”
LED 早在 1962 年就由美国通用电气公司研究员尼克 · 何伦亚克（Nick Holonyak）发明 ， 当初只有红色 。 2014 年度 ， 诺贝尔物理学奖授予了三名日本科学家（赤崎勇、天野浩和中村修二） ， 以表彰他们发明了蓝光 LED 技术 ， 开创了照明新时代 。
虽然有几十年的技术发展史 ， 但即使是现代的 LED 产品 ， 其局限性也使它们的设计师们感到沮丧 。 在某种程度上 ， 给一个 LED 输入更多的电能会使它发光更明亮 ， 但是达到一个临界点后 ， 就会只剩工作温度剧增 ， 而亮度却会大幅衰减 ， 这使得 LED 的光效输出一直难有突破 ， 如果可以消除 LED 光效下降问题 ， 我们就可以简单地通过增加驱动电流来使 LED 变得更亮 。
有意思的是 ， 研究人员开发的新设计 ， 最初并不是为了着手解决 “光效下降” 这个问题 ， 他们原打算制造一种微型 LED ， 用于非常小的应用 ， 例如 NIST 正在研究的芯片实验室技术 。
研究小组对 LED 发光部分进行了全新的构建：与常规 LED 所采用的平面设计不同 ， 他们使用长而细的氧化锌线束（称为鳍片）构建了光源 ， 每个鳍的长度仅约 5 微米 ， 大约是人类头发平均宽度的十分之一 ， 它们组成的鳍阵列看起来像一个微小的梳子 ， 可以延伸到 1 厘米或更大的区域 。
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图2/4图|鳍式 LED 像素和阵列光学图像（来源：<em>Science Advances</em>）尼古巴赫说：“我们看到了鳍片的机会 ， 因为我认为鳍片的细长形状和较大的侧面可以接收更多的电流 。 一开始我们只是想测试一下新设计的‘极限’ ， 我们开始加大电流 ， 想办法把它开到烧坏为止 ， 但它总是越来越亮 。 ”
典型的面积小于平方微米的 LED 发光功率约为 22 纳瓦 ， 但这种新型 LED 最多可产生 20 微瓦 ， 将发光功率最高提升近 1000 倍 。 这表明该设计克服了 LED 的光效下降障碍 ， 从而使光源更明亮 。
“这是我见过的最有效的解决方案之一 。 ”南卡罗来纳大学电气工程教授格里戈里 · 西敏（Grigory Simin）评价说 ， 学界和产业界多年来一直致力于提高 LED 的效率 ， 而其他方法在应用于亚微米级的 LED 时通常会遇到技术问题 ， 这种方法却做得很好 。 ”
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图3/4图|在高电流密度下 ， 鳍式 LED 过渡到鳍式激光器（来源：<em>Science Advances</em>）当在实验中不断加大电流时 ， 研究小组又有了一个惊人发现 。 虽然 LED 起初在一定波长范围内发光 ， 但其最终会缩小为深紫色的两个波长 ， 他们的微型 LED 竟然变成了一个微小的激光器 ， 实验记录到的电流密度为 1000 kA/cm 2 ， LED 转换为激光 ， 亮度超过 20 微瓦 。
“将 LED 转换成激光需要很大的努力 。 通常 ， 需要将 LED 耦合到谐振腔 ， 谐振腔才能使光线反弹以产生激光 。 ” 尼古巴赫说 。 “但鳍式设计可以独立完成全部工作 。 ”微型激光器的应用也非常多 ， 不仅在化学传感方面 ， 而且在下一代手持式通信产品、高清显示器和消毒方面也是如此 。
尼古巴赫认为：“这种全新 LED 设计作为重要的构建基块具有很大的潜力 。 ” “虽然这不是人们制造的最小的激光器 ， 但它是一个非常明亮的激光器 ， 且不存在效率下降的问题 ， 将会大有用处 。 ”


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