Ultraviyole enerji güneş ışığının sadece% 5'ini oluştursa da, insan yaşamında yaygın olarak kullanılmaktadır. Şu anda, UV ışık uygulamaları baskı kürleme, bozuk para sahteciliği, cilt hastalığı tedavisi, bitki büyüme ışığı ve bakteri ve virüsler gibi mikroorganizmaların moleküler yapısındaki hasarı içerir. Bu nedenle, hava sterilizasyonu, su arıtma ve katı yüzey sterilizasyonu ve dezenfeksiyonunda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Geleneksel ultraviyole ışık kaynağı, yüksek güç tüketimi, büyük ısı üretimi, kısa ömür, yavaş tepki ve potansiyel güvenlik tehlikeleri gibi birçok kusura sahip ultraviyole ışık üretmek için genellikle heyecanlı cıva buharı deşarj durumunu kullanır. Yeni derin ultraviyole ışık kaynağı, geleneksel cıva lambalarına göre birçok avantaja sahip olan ışık yayan diyot (LED) ışık yayan prensibini kullanır. En önemli avantaj toksik cıva içermemesidir. Minamata Sözleşmesi'nin uygulanmasıyla, cıva içeren ultraviyole lambaların kullanımının 2020'de tamamen yasaklanacağını göstermektedir. Bu nedenle, yeni bir çevre dostu ve verimli ultraviyole ışık kaynağının nasıl geliştirileceği insanlar için önemli bir zorluk haline gelmiştir. .
Geniş bant aralığı yarı iletken malzemelerine (GaN, AlGaN) dayanan derin ultraviyole LED'ler (DUV LED'ler) bu yeni uygulama için tek seçenek haline gelmiştir. Bu tamamen katı hal ışık kaynağı sistemi, küçük boyutlu, yüksek verimli ve uzun ömürlüdür. Sadece bir başparmak kapağının boyutunda bir çip, bir cıva lambasından daha güçlü olan ultraviyole ışık yayabilir. Bunun gizemi esas olarak grup III nitrürlerin doğrudan bant aralığı yarı iletken malzemesine bağlıdır: iletim bandındaki elektronlar ve değerlik bandındaki delikler yeniden birleşerek fotonlar üretir. Fotonun enerjisi, malzemenin yasak bant genişliğine bağlıdır. Bilim adamları, AlGaN gibi üçlü bileşikteki element kompozisyonunu ayarlayarak farklı dalga boylarının emisyonunu tam olarak gerçekleştirebilirler. Bununla birlikte, UV LED'lerin yüksek verimli ışık emisyonunu elde etmek her zaman kolay değildir. Araştırmacılar, elektronlar ve delikler yeniden birleştiğinde fotonların her zaman üretilmediğini keşfettiler. Bu verime iç kuantum verimi (IQE) denir.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Mikroelektronik Okulu Sun Haiding ve Uzun Şib araştırma grubu ve Çin Bilimler Akademisi Ningbo Malzeme Enstitüsü'nden Guo Wei ve Ye Jichun, IQE'yi arttırmak için keşfetti AlGaN malzemeleri-safir Al2O3 ile büyütülebilen bir substrat olan UV LED'lerin değeri eğim açısı ile kontrol edilir. Araştırmacılar, substratın eğim açısı arttığında, UV LED içindeki çıkıkların önemli ölçüde bastırıldığını ve cihazın ışık yoğunluğunun önemli ölçüde arttığını buldular. Pahlı substrat 4 dereceye ulaştığında, cihazın floresan spektrumunun yoğunluğu bir büyüklük sırasına göre arttırılır ve iç kuantum verimi% 90'lık bir rekor kırar.
Geleneksel UV LED yapısından farklı olarak, çok katmanlı kuantum kuyusundaki (MQW) potansiyel kuyunun ve bariyerin kalınlığı, bu yeni yapının içindeki ışık yayan tabakada aynı değildir. Yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu yardımıyla araştırmacılar, kuantum kuyu yapılarını mikroskopik ölçekte sadece birkaç nanometrede analiz edebildiler. Çalışmalar, substrat adımında, galyum (Ga) atomlarının toplanacağını ve bu da lokalize bir enerji bandının daralmasına neden olduğunu ve film büyüdükçe Ga ve Al bakımından zengin bölgelerin DUV LED'lerine genişleyeceğini göstermektedir. Yüzey ve üç boyutlu uzayda bükülmüş ve bükülmüş, üç boyutlu çok kuantum kuyu yapısı oluşturur.
Araştırmacılar bu özel fenomen olarak adlandırılıyor: Al ve Ga elementlerinin faz ayrımı ve taşıyıcıların lokalizasyonu. InGaN tabanlı mavi LED sisteminde In'in Ga ile% 100 karıştırılabilir olmadığını ve malzemede In ve Ga açısından zengin bölgelerin sonuçlandığını ve bunun da yerel durumlarla ve yüklemenin teşvik edildiğini belirtmek gerekir. Taşıyıcıların ışıma rekombinasyonu. Bununla birlikte, AlGaN malzeme sistemlerinde, Al ve Ga'nın faz ayrımı nadiren görülür. Bu çalışmanın önemli önemlerinden biri, materyalin büyüme modunun faz ayrımını teşvik etmek için yapay olarak ayarlanması ve böylece cihazın ışık yayan özelliklerini büyük ölçüde iyileştirmesidir.
Araştırmacılar, 4 derecelik bir eğim substratı üzerindeki epitaksiyal büyüme ayarını optimize ederek optimum bir DUV LED yapısını araştırdı. Bu yapının taşıyıcı ömrü, geleneksel cihazlarda genellikle 1ns'den daha düşük olan 1.60 ns'ı aşıyor. Çipin ışık gücünü daha fazla test eden araştırmacılar, ultraviyole ışık gücünün 0.2 derecelik bir eğim substratı temelinde geleneksel cihazların iki katından fazla olduğunu keşfettiler. Bu, AlGaN malzemelerinin etkili faz ayrımı ve taşıyıcı lokalizasyonu sağlayabileceğinin daha kesin bir kanıtıdır. Buna ek olarak, deneyciler ayrıca AlGaN çoklu kuantum kuyuları içindeki faz ayırma fenomenini ve teorik hesaplamalar yoluyla potansiyel kuyu ve bariyer kalınlığının ışık yoğunluğu ve dalga boyu üzerindeki etkilerinin etkilerini simüle ettiler. Teorik hesaplamalar deneylerle uyumludur.
Araştırma sonuçları Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesörler Dai Jiangnan ve Chen Changqing, Hebei Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Zhang Zihui ve Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Boon Ooi ve Profesör Iman Roqan tarafından ortaklaşa tamamlandı. Araştırmacılar, bu araştırmanın yüksek verimli tamamen katı hal UV ışık kaynaklarının geliştirilmesi için yeni fikirler sağlayacağına inanıyor. Bu fikir pahalı desenli substratlar veya karmaşık epitaksiyal büyüme süreçleri gerektirmez. Ve sadece alt tabakanın eğim açısının ayarlanmasına ve epitaksiyal büyüme parametrelerinin eşleştirilmesine ve optimizasyonuna dayanarak, UV LED'lerin ışık özelliklerinin, mavi LED'lerle karşılaştırılabilir bir seviyeye yükseltilmesi ve bir test yapılması beklenmektedir. yüksek güçlü derin UV LED'lerin büyük ölçekli uygulamaları için ve teorik olarak. İlgili sonuçlar, "Büyük Yanlış Yönlendirilmiş Safir Substrat üzerinde Yetiştirilen AlGaN Dalgalı Kuantum Kuyu Yapılarının Kesin Olarak Geliştirilmiş Ultraviyole Lüminesansı" başlıklı ve İleri Fonksiyonel Malzemelerde (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445) çevrimiçi olarak yayınlanmaktadır.