LED的一些硬核技術(shù)

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。在新冠肺炎疫情防控期間，眾多新技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得防疫工作效率大為提高。居家隔離的群眾可以隨時(shí)通過手機(jī)查看疫情動(dòng)態(tài)、疫情地圖，無法及時(shí)返回工作崗位的人可以在線遠(yuǎn)程辦公，無人駕駛的快遞車能及時(shí)運(yùn)送貨物，武漢火神山、雷神山專科醫(yī)院的建設(shè)更離不開強(qiáng)大的技術(shù)支撐……而在LED行業(yè)，新技術(shù)也是層出不窮。

一滴雨能點(diǎn)亮100個(gè)LED燈泡?

已經(jīng)有許多利用雨水發(fā)電的嘗試，但這可能是更有效的解決方案之一。

據(jù)香港城市大學(xué)官網(wǎng)近日報(bào)道，該校研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出新型水滴發(fā)電機(jī)(DEG)，其瞬時(shí)功率密度較現(xiàn)時(shí)類似的水滴發(fā)電機(jī)增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。

它設(shè)有類似場效應(yīng)晶體管(FET)的結(jié)構(gòu)，使其瞬時(shí)功率密度較現(xiàn)時(shí)類似的水滴發(fā)電機(jī)(無類似場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu))增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。這項(xiàng)突破性成果有助推動(dòng)水能發(fā)電的科學(xué)研究以及應(yīng)對能源危機(jī)。

這項(xiàng)研究由香港城市大學(xué)機(jī)械工程系王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始主任、首席科學(xué)家王中林院士共同領(lǐng)導(dǎo)。研究成果發(fā)表在*新一期的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然(Nature)》上。

為了提升電能轉(zhuǎn)化效率，研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了兩年時(shí)間開發(fā) DEG。其瞬時(shí)功率密度可以達(dá)到 50.1 W/m2，比沒有使用類似 FET 設(shè)計(jì)的其他類似裝置高數(shù)千倍，并且能量轉(zhuǎn)化效率顯著提升。

香港城市大學(xué)的王教授指出，這項(xiàng)發(fā)明有兩個(gè)關(guān)鍵因素。第*，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，水滴持續(xù)撞擊一種帶有準(zhǔn)永久電荷的駐極體材料聚四氟乙烯(PTFE)，為高密度表面電荷的累積和存儲(chǔ)提供了一種新方法。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)撞擊 PTFE 表面時(shí)，生成的表面電荷累積并逐漸達(dá)到飽和。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)有助于克服之前研究中遇到的低電荷密度的瓶頸。

這項(xiàng)研究的另一個(gè)關(guān)鍵特征就是一套類似 FET 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。FET 是一項(xiàng)于1956年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的創(chuàng)新，如今已經(jīng)變成了構(gòu)成現(xiàn)代電子器件的基本單元。該裝置由一個(gè)鋁電極和一個(gè) PTFE 薄膜沉積在其上的氧化銦錫(ITO)電極組成。PTFE/ITO 電極負(fù)責(zé)電荷的生成、存儲(chǔ)和感應(yīng)。當(dāng)一滴水落到 PTFE/ITO 電極表面上并擴(kuò)散開來時(shí)，“接通”了鋁電極和 PTFE/ITO 電極，將原始的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)閉環(huán)電路。

下圖a為水滴發(fā)電機(jī)的原理示意圖：氧化銦錫(ITO)玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯(PTFE)，并在上面放置鋁電極。當(dāng)水滴撞擊玻璃片表面時(shí)，充當(dāng)晶體管的柵極，就“接通”了電路。下圖b為四個(gè)并排的水滴發(fā)電機(jī)裝置。

(圖片來源：香港城市大學(xué))

通過這種特殊的設(shè)計(jì)，持續(xù)的水滴撞擊使 PTFE 上積存了密度很高的表面電荷。與此同時(shí)，當(dāng)水滴擴(kuò)散開來“接通”兩個(gè)電極時(shí)，所有積存在 PTFE 上的電荷全部都被釋放，產(chǎn)生了電流。因此，瞬時(shí)功率密度和能量轉(zhuǎn)化效率都會(huì)大幅提升。

王教授表示：“我們的研究表明，100微升(1微升等于百萬分之一升)的水滴從15厘米的高度落下，可以產(chǎn)生超過140V的電壓。生成的電力足以點(diǎn)亮100盞小LED燈?！?

(圖片來源：香港城市大學(xué))

他補(bǔ)充道，瞬時(shí)功率密度的提升并不是由額外的能量引起的，而是由水本身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化引起的。“下落的水滴所牽涉的動(dòng)能是由重力引起的，可以被認(rèn)為是免費(fèi)以及可再生的。它應(yīng)該得到更好利用。”

他們的研究也表明，相對濕度的降低不會(huì)影響發(fā)電效率。此外，雨水和海水都可以用于發(fā)電。長遠(yuǎn)來說，這項(xiàng)新設(shè)計(jì)可以應(yīng)用和安裝到液體與固體接觸的不同表面上，例如輪船船體面、海岸線、雨傘表面甚至是水瓶內(nèi)，這樣就能充分利用低頻的水動(dòng)能。(來源于微信公眾號“IntelligentThings”)

LED能充當(dāng)激光器?

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已將精心設(shè)計(jì)的膠體量子點(diǎn)結(jié)合到一種新型LED中，該新型LED包含集成的光學(xué)諧振器，從而使LED能夠充當(dāng)激光器。

研究人員展示了一種可操作的LED，該LED還可以用作光抽運(yùn)的低閾值激光器。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，他們將光諧振器直接集成到LED架構(gòu)中，而不會(huì)阻礙電荷載流子流入量子點(diǎn)發(fā)射層。

通過仔細(xì)設(shè)計(jì)其多層器件的結(jié)構(gòu)，研究人員將發(fā)射光限制在跨度為50 nm的超薄量子點(diǎn)介質(zhì)內(nèi)。這是獲得激光效果并同時(shí)允許電流有效激發(fā)量子點(diǎn)的關(guān)鍵。

最后一個(gè)成分是可用于激光應(yīng)用的、獨(dú)特的量子點(diǎn)。Los Alamos團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年來對這些納米結(jié)構(gòu)化學(xué)和物理的研究開發(fā)了這種量子點(diǎn)配方。

據(jù)研究人員稱，這些雙重功能的設(shè)備為多功能、易于制造的激光二極管掃清了道路。該技術(shù)可能會(huì)改變從光子學(xué)和光電子學(xué)到化學(xué)傳感和醫(yī)學(xué)診斷的眾多領(lǐng)域。

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室量子點(diǎn)小組負(fù)責(zé)人Victor Klimov表示：“這項(xiàng)*新突破以及我們在量子點(diǎn)化學(xué)和器件工程領(lǐng)域取得的其他*新進(jìn)展表明，由溶液組裝而成的激光二極管可能很快成為現(xiàn)實(shí)?！绷孔狱c(diǎn)顯示器和電視機(jī)已經(jīng)可以作為商業(yè)產(chǎn)品使用。膠體量子點(diǎn)激光器似乎排在下一個(gè)?！?

膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)為制作集成的無機(jī)半導(dǎo)體電子和光電子器件提供了機(jī)會(huì)?，F(xiàn)代半導(dǎo)體激光二極管需要復(fù)雜的、基于真空的逐層沉積技術(shù)制造。而膠體量子點(diǎn)激光器可以在條件不那么苛刻的實(shí)驗(yàn)室和工廠生產(chǎn)。

除了簡化制造流程，降低生產(chǎn)成本，膠體量子點(diǎn)技術(shù)有利于拓展激光技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域，包括集成光子電路、光學(xué)電路、芯片上的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和可穿戴設(shè)備。

在過去的二十年中，洛斯阿拉莫斯量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)一直致力于基于通過膠體化學(xué)制備的半導(dǎo)體納米晶體的激光器件的基礎(chǔ)和應(yīng)用方面研究。這些粒子(也稱為膠體量子點(diǎn))可以很容易地從其本機(jī)溶液環(huán)境中進(jìn)行加工出來，以創(chuàng)建各種光學(xué)、電子和光電設(shè)備。此外，它們可以針對激光應(yīng)用進(jìn)行“尺寸調(diào)整”，以產(chǎn)生現(xiàn)有半導(dǎo)體激光二極管無法獲得的顏色。

目前，洛斯阿拉莫斯州的科學(xué)家正在應(yīng)對尚存的挑戰(zhàn)，這是將電流密度提高到足以獲得所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的水平，即量子點(diǎn)活性介質(zhì)變成光放大器時(shí)的狀態(tài)。(轉(zhuǎn)載：中國光學(xué)期刊網(wǎng))

鈣鈦礦LED中光子回收效應(yīng)

最近，劍橋大學(xué)與浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在Nature Communications合作發(fā)表了題為“The role of photon recycling in perovskite light-emitting diodes”的論文，研究了高效率鈣鈦礦發(fā)光二極管(鈣鈦礦LED)中光子回收效應(yīng)的影響，為器件發(fā)光效率的進(jìn)一步提升提供了思路。劍橋大學(xué)的Changsoon Cho博士是論文的第*作者，劍橋大學(xué)的Neil Greenham教授、Felix Deschler博士與浙江大學(xué)光電學(xué)院的狄大衛(wèi)研究員是論文的通訊作者。

讓大部分的光子從平面型LED中發(fā)射出來并非易事。造成這個(gè)問題的最主要因素是LED材料與空氣的折射率存在差異 ，因此一般情況下只有一小部分光才能直接逃逸;其余的光因?yàn)槿瓷渥饔茫蠖啾幌拗圃贚ED器件中并最終以熱的形式耗散。材料的折射率越高，這個(gè)問題就愈加嚴(yán)重，因此一般而言只有20%左右的光能夠從LED的表面輻射出來。

造成80%的光損耗顯然是不利的，LED領(lǐng)域的研究人員為了避免這種情況，采用了各種方法。例如，在有機(jī)LED中，一種用來提高出光效率的方式是控制發(fā)光分子的位置和取向。另一個(gè)比較常見的方法是在器件中引入微納結(jié)構(gòu)，造成光的散射以利于提取光子。當(dāng)然，這些提升一般都是特殊光學(xué)設(shè)計(jì)的結(jié)果。然而有一種新的LED技術(shù)，它在沒有刻意優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)的情況下就產(chǎn)生了高效率，這可以說是出人意料的。

這種新型技術(shù)就是鈣鈦礦LED，它與鈣鈦礦太陽能電池一樣，也逐漸成為了學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。鈣鈦礦LED領(lǐng)域的研究人員(包括作者團(tuán)隊(duì))，僅用了短短4年的時(shí)間，就將器件的外量子效率從低于1%提高到了20%以上。其中一部分研究組的高效率結(jié)果，只能用出光率的提升來解釋。而這種提升，究竟是由于器件的光學(xué)結(jié)構(gòu)特殊，導(dǎo)致光更容易從正面出射，還是因?yàn)殁}鈦礦本身的一些特殊的性質(zhì)，幫助光子從器件里逃脫?

論文作者的研究表明，光子回收效應(yīng)在出光過程中扮演了重要的角色。這種效應(yīng)背后的原理很簡單：在器件中沿側(cè)向傳播(波導(dǎo)模式)的熒光被鈣鈦礦發(fā)光材料重新吸收，而這些原本應(yīng)被耗散的能量，通過輻射復(fù)合，有了再一次產(chǎn)生光子的機(jī)會(huì)。由于重新產(chǎn)生的光子的輻射方向是隨機(jī)的(有可能避開導(dǎo)致全反射的角度)，因此它又獲得了一定的概率從器件中逃逸。第*次沒有成功逃逸的光子，還能夠再一次被鈣鈦礦吸收并發(fā)射，如此循環(huán)，因而被“回收利用”。與有機(jī)半導(dǎo)體不同，鈣鈦礦半導(dǎo)體的發(fā)光譜與吸收譜一般有著較顯著的重疊，因此在一些新型鈣鈦礦LED材料中，由于鈣鈦礦材料自身的發(fā)光效率足夠高，理論上有30%-70%的電致發(fā)光可能是由光子回收貢獻(xiàn)的。

在未來的研究中，如果能夠進(jìn)一步減少鈣鈦礦LED器件中電極材料的吸收，將出光率以及外量子效率提高到接近100%也將成為可能.以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會(huì)由很大的提升，為我們帶來更大便利。