美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員利用氧化鋅納米線大幅提升了氮化鎵發(fā)光二極管（LED）將電流轉(zhuǎn)化為紫外線的效能。這個(gè)裝置被認(rèn)為是首個(gè)通過壓電—光電效應(yīng)在壓電材料中產(chǎn)生電荷，從而使自身性能大幅提升的LED。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》雜志上。
通過在納米線上施加機(jī)械應(yīng)變，佐治亞理工學(xué)院的研究人員在其中制造了壓電電勢(shì)。該電勢(shì)被用于調(diào)整電荷的傳輸，并加強(qiáng)LED的載子注入。這種壓電電勢(shì)對(duì)于光電設(shè)備的控制被稱為壓電—光電效應(yīng)。這一效應(yīng)可增加電子和空穴重新結(jié)合以產(chǎn)生光子的速率，并通過提升發(fā)光強(qiáng)度和增加注入電流，加強(qiáng)設(shè)備的外部效能，使其提升4倍之多。
該校材料科學(xué)和工程系董事教授王中林表示，從實(shí)際情況來看，這個(gè)新效應(yīng)可對(duì)光電過程產(chǎn)生諸多影響，包括提升照明裝置的能源效率等。傳統(tǒng)的LED一般使用量子阱等結(jié)構(gòu)囚禁電子和空穴，這需要兩者長(zhǎng)時(shí)間保持足夠靠近以進(jìn)行重組。電子和空穴靠近的時(shí)間越長(zhǎng)，LED裝置的效率就越高。雖然一般LED的內(nèi)部量子效率能達(dá)到80%，但傳統(tǒng)的單p-n結(jié)點(diǎn)薄膜LED的外部效率卻只有3%。
新裝置內(nèi)的氧化鋅納米線構(gòu)成了p-n結(jié)的n，氮化鎵薄膜則可作為其中的p。自由載子將被囚禁在這個(gè)界面區(qū)域內(nèi)。壓電—光電效應(yīng)可在對(duì)設(shè)備施加0.093%壓應(yīng)力的情況下，使發(fā)光強(qiáng)度提升17倍，令結(jié)點(diǎn)電流增強(qiáng)4倍，從而使光電轉(zhuǎn)化率提高約4.25倍。而在合適外應(yīng)力的作用下，新裝置的外部效率可達(dá)到#p#分頁標(biāo)題#e#7.82%，大大超過了傳統(tǒng)LED的外量子效率。
研究小組制成的LED能發(fā)出波長(zhǎng)約為390納米的紫外線，但王中林教授認(rèn)為未來可延伸至可見光范圍，適用于各類光電設(shè)備。目前，高效的紫外線發(fā)射器在化學(xué)、生物、航空航天、軍事和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域都有需要。
王中林教授還表示，此次研究開辟了利用壓電—光電效應(yīng)調(diào)整光電設(shè)備的新領(lǐng)域。大幅提升LED照明設(shè)備的效率有望帶來可觀的能源節(jié)約，這對(duì)于在綠色和可再生能源技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用而言十分重要，此外，這一發(fā)現(xiàn)還能應(yīng)用于其他由電場(chǎng)控制的光學(xué)器件上。
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