Fe wnaeth dyfeisio LED glas (deuod allyrru golau), yr ystyriwyd ei bod yn anodd ei gyflawni ers blynyddoedd lawer, esgor ar osodiadau ac arddangosfeydd arbed ynni a hirhoedlog, a newidiodd y byd yn fawr. Un o'r ymchwil ffin ddiweddaraf yw y gall gynhyrchu LEDau UV â thonfeddi byrrach na LEDs glas.
Ymhlith pelydrau uwchfioled, mae gan belydrau uwchfioled dwfn â thonfedd arbennig o fyr alluoedd sterileiddio uchel a disgwylir iddynt gael eu defnyddio mewn ffatrïoedd a phlanhigion puro dŵr (Ffigur 1). Mae'r rhan fwyaf o'r lampau germladdol sy'n cael eu defnyddio ar hyn o bryd yn defnyddio mercwri, ond gyda Chytundeb Minamata ar Fercwri wedi dod i rym yn 2017, mae'r gymuned ryngwladol wedi dechrau gweithio i leihau'r defnydd o arian byw. Yn y cyd-destun hwn, disgwylir LEDau UVC uwchfioled dwfn. Mae cynhyrchion sy'n defnyddio LEDau uwchfioled dwfn wedi dechrau mynd ar y farchnad, ond mae'r effeithlonrwydd goleuol a'r pŵer allbwn cyfredol yn annigonol.
Dywedodd Hirayama, a ddechreuodd ymchwilio i LEDau UV ym 1996, yn hyderus: “Er bod y gystadleuaeth ddatblygu yn ffyrnig, mae’r LED UVC dwfn UV a ddatblygwyd gennym wedi cyflawni effeithlonrwydd goleuol uchaf y byd o 20.3%. Fodd bynnag, os ydym am sicrhau defnydd eang, yr effeithlonrwydd llewychol fydd. Mae angen ei wella ymhellach i ragori ar y lamp mercwri pwysedd isel a ddefnyddir fel lamp germladdol, a'r nod cyfredol yw bod yn fwy na 30%."
Cyffordd pn yw strwythur sylfaenol LED a ffurfiwyd trwy ymuno â lled-ddargludydd n-math gyda mwy o electronau a lled-ddargludydd math p heb ddigon o electronau (gyda thyllau). Ar ôl i foltedd gael ei gymhwyso, mae electronau a thyllau yn cyfuno i allyrru golau, ond mae lliw (tonfedd) y golau a'r foltedd sy'n ofynnol i allyrru golau yn wahanol yn dibynnu ar y math o lled-ddargludydd. Er mwyn datblygu lled-ddargludyddion a all gynhyrchu golau o'r donfedd a ddymunir, mae nifer fawr o ymchwilwyr wedi archwilio deunyddiau amrywiol. Dywedodd Hirayama:" Os mai dim ond yn y rhanbarth uwchfioled y gall allyrru golau, nid yw'n ymarferol. Oherwydd bod angen iddo hefyd allyrru golau yn fwy effeithlon na ffynonellau golau blaenorol, a gellir ei gynhyrchu mewn màs am gost is." Disgwylir alwminiwm gallium nitride (AlGaN) fel deunydd cymharol addawol, ond mae yna lawer o faterion.
Technoleg newydd sy'n gallu cynhyrchu crisialau taclus, mae LEDau yn ffurfio cyffyrdd pn trwy dyfu crisialau ag atomau wedi'u harchebu ar sylwedd sylfaenol (swbstrad). Mae'r swbstrad lled-ddargludyddion yn defnyddio saffir rhad (Al2O3), ond oherwydd y gwahaniaeth yn y pellter (cysonyn dellt) rhwng yr atomau sy'n ffurfio'r grisial, mae'r grisial AlGaN yn cael ei ddadffurfio pan fydd yn tyfu, gan achosi diffygion o'r enw diffygion dellt. Gelwir craciau sy'n ehangu ar hyd y llinell ddiffygion yn ddiffygion crisial. Os yw dwysedd y nam (dwysedd dadleoli edafu) yn cynyddu, mae'r effeithlonrwydd goleuol yn lleihau.
Mae angen i LEDau glas ffurfio ffilm grisial gallium nitride (GaN) gyda llai o ddiffygion ar y swbstrad. Datblygwyd y dechnoleg i wireddu'r ffilm hon gan yr athro sydd wedi ennill Gwobr Nobel ym Mhrifysgol Meijo, Isamu Akasaki. Ar gyfer LEDau uwchfioled dwfn, mae ffilm grisial alwminiwm nitride (AlN) yn cael ei ffurfio ar y swbstrad ac mae grisial AlGaN yn cael ei dyfu arno. Sefydlu ffilm AlN o ansawdd uchel ar y swbstrad i leihau diffygion. Roedd yn cofio:" Mae'r dull hwn wedi torri tir newydd wrth wella effeithlonrwydd goleuol, gan ragori ar dîm ymchwil Americanaidd y cystadleuydd' s."
Cynhyrchir crisialau AlN trwy ddyddodiad anwedd cemegol organig metel (MOCVD). Mae'r deunydd nwyol yn cael ei gyflenwi i'r swbstrad saffir ar dymheredd uchel o tua 1400 gradd i'w wneud yn tyfu fel grisial. Mae'r dull a ddatblygwyd gan Hirayama yn tyfu AlN nitride yn gyntaf fel y craidd ar y swbstrad, ac yn chwythu nwy amonia mewn pwls i'w wneud yn tyfu'n ochrol i lenwi'r bwlch rhwng y craidd. Yna mae'r nwy yn cael ei gyflenwi'n barhaus i'w pentyrru'n fertigol. Trwy ailadrodd y broses twf grisial hon, gellir ffurfio haen AlN o ansawdd uchel heb graciau (Ffigur 2). Meddai:" Er mwyn gwneud crisialau taclus, mae angen i chi reoli crynodiad nwy, cyfradd llif a thymheredd adweithio, ac ati yn fân. Mae'r llif nwy yn hawdd i fod yn gythryblus ar dymheredd uchel ac mae angen cyfoeth o brofiad. Felly, mae'r offer yn lled-hunan-wneud ac wedi'i addasu yn ôl yr angen." .
Gwella'r effeithlonrwydd goleuol trwy weithio ar y strwythur
Mae'r effeithlonrwydd llewychol yn gysylltiedig â 3 ffactor. Y cyntaf yw" effeithlonrwydd cwantwm mewnol", yr ail yw" effeithlonrwydd pigiad electron", a'r trydydd yw" effeithlonrwydd echdynnu ysgafn" ;. Mae Hirayama yn gweithio'n galed i wella'r tair effeithlonrwydd hyn.
Mae'r effeithlonrwydd cwantwm mewnol yn werth sy'n dynodi cymhareb parau electronau a thyllau a gynhyrchir gan gerrynt i allyrru golau, ac mae'n nodi i ba raddau y mae'r haen sy'n allyrru golau yn allyrru golau yn llyfn. Trwy wneud i'r grisial dyfu'n daclus a lleihau diffygion, mae'r effeithlonrwydd cwantwm mewnol wedi'i wella'n llwyddiannus.
Mae effeithlonrwydd pigiad electron yn cyfeirio at gyfran yr electronau sy'n mynd i mewn i'r haen sy'n allyrru golau yn y cerrynt sydd wedi'i chwistrellu. Mae gan y LED UV uwchfioled dwfn confensiynol broblem nad yw'r electronau wedi'u chwistrellu yn mynd i mewn i'r haen sy'n allyrru golau, ond yn gollwng o'r ochr haen-p.
Dywedodd y cyflwyniad:" Y rheswm yw nad yw nifer y tyllau yn y lled-ddargludydd math p yn gytbwys â nifer yr electronau yn y lled-ddargludydd n-math. Oherwydd ei bod yn anodd cynyddu nifer y tyllau, mae haen blocio electronau (rhwystr aml-cwantwm) yn cael ei ffurfio i adlewyrchu'r electronau heb eu rhwymo sy'n pasio'n uniongyrchol. , Cyfun effeithiol" (Ffigur 3). O ganlyniad, mae effeithlonrwydd pigiad electron wedi'i wella'n fawr.
Mae breuddwyd i'w gymhwyso i ffynhonnell golau laser
Mae gan y LED UV uwchfioled dwfn a ddatblygwyd gan AlGaN hefyd fanteision yn yr ystod ymgeisio. Mynegodd yn disgwylgar:" Trwy newid cyfansoddiad y grisial, gellir addasu tonfedd uwchfioled dwfn. Mae hon hefyd yn nodwedd. Ar hyn o bryd, mae LEDau UVC uwchfioled dwfn wedi'u gweithredu yn y band 222-351 nm. Gallwch chi gynhyrchu'r donfedd a ddymunir yn rhydd yn ôl y cais. Golau uwchfioled dwfn, fel golau o tua 310 nanometr a ddefnyddir i drin dermatitis atopig a soriasis, ac ati."
Mae hon yn dechnoleg sy'n cael ei datblygu. Mae angen cynyddu'r pŵer allbwn o'r degau cyfredol o filiwatiau i ychydig watiau. Disgwylir iddo gael ei ddefnyddio mewn sterileiddio, puro dŵr, puro aer, triniaeth feddygol, diwydiant biocemegol, caledu a phrosesu resin, ac argraffu yn y dyfodol. A phaentio a meysydd eraill.
Wrth edrych i'r dyfodol, dywedodd:" Yn y dyfodol, rydym yn bwriadu datblygu deuod laser uwchfioled dwfn (LD) a all gyflawni mwy o bŵer allbwn. Os gellir ei gyflawni, dylai hefyd allu dadelfennu cyfryngau storio gallu mawr a sylweddau niweidiol sy'n fwy na chynhwysedd Disgiau Blu-ray."
Mae gofod datblygu LED uwchfioled dwfn UVC yn dal i fod yn fawr iawn.
