Święty Graal oświetlenia LED – uzyskanie białego źródła światła, które byłoby tanie i wydajne energetycznie – zawsze stanowi gorący temat zarówno wśród producentów o ugruntowanej pozycji rynkowej, jak i badaczy akademickich.
Tradycyjne rozwiązania obejmują zmniejszenie częstotliwości światła widzialnego – połączenie diod LED dużej mocy, które emitują światło niebieskie lub w zakresie bliskiego ultrafioletu i substancji fosforyzujących, które powodują reemisję na wyższych długościach fal. W ogólnym przypadku to rozwiązanie tworzy niekompletne widmo światła białego i osiąga mniejszą sprawność kwantową, niż oryginalne źródło (dioda LED zakryta przez materiał fosforyzujący). Również ograniczony czas życia tego materiału w porównaniu do żywotności diody LED powoduje skrócenie całkowitego czasu pracy źródła światła białego.
Inne rozwiązania wykorzystują wiele diod LED emitujących światło o różnej długości fali. Jednak to rozwiązanie również nie zapewnia ciągłego widma, jakie ma naturalne światło białe.
Zespół badaczy Uniwersytetu Hong-Kongu jest przekonany, że białe światło można otrzymać z monolitycznych kości LED. W swej niedawno opublikowanej pracy zatytułowanej „Monolithic Broadband InGaN Light-Emitting Diode” badacze przedstawili obiecujące wyniki otrzymane z użyciem studni kwantowych wykonanej z materiału InGaN-GaN wytworzonych na szafirowym podłożu.
Cała struktura pionowa została wytrawiona przy użyciu mieszanki krzemowych nanocząstek stanowiących warstwę maski. Dzięki temu powstały nanokolumny rozproszone nieregularnie na powierzchni kości LED – ich rozmiary wahają się od nanoigieł o średnicy około 150 nm do mikrodysków o średnicy około 7 µm.
Ponieważ budowa struktur studni kwantowych InGaN-GaN powoduje niedopasowanie elementów i powoduje powstawanie naprężeń, można wykorzystać naprężenia między nanokolumnami a mikrodyskami. Zjawisko znane jako efekt Starka (QSCE) polega na zależności maksymalnej długości fali od wywołanego przez naprężenie pola piezoeletrycznego, które zmniejsza szerokość pasma zabronionego. Tym samym widmo emisji przesuwa się w stronę barwy czerwonej. Przesunięcie koloru może być częściowo złagodzone poprzez zmniejszenie naprężeń w nanostrukturach warstw studni kwantowych InGaN-GaN, co zrealizowali naukowcy.
Nanoigły emitowały fale o długości około 80 nm krótsze, niż kompletne struktury, natomiast większe mikrodyski o średnicy 7 µm emitowały fale o tej samej długości, co zwykła długość fali dla całego wafla (575 nm).
Tworzenie nanostruktur na monolitycznej kości LED pozwoliło połączyć długie fale z naprężonych studni kwantowych InGaN-GaN z krótszymi falami z nanoigieł wolnych od naprężeń. Uzyskana kość emitowała jednocześnie światło niebieskie, zielone i żółte w losowych punktach wynikających z rozmieszczenia nanostruktur. Te z kolei odpowiadały losowemu rozmieszczeniu krzemowych sfer maskujących.
Eksperyment jest na razie tylko potwierdzeniem teorii. Badacze mają nadzieję poprawić rozmieszczenie źródeł światła i jednorodność koloru, korzystając z precyzyjnych technik tworzenia nanostruktur – takich jak wiązka elektronów czy litografia oparta o nanodruk. Widmo emisji można również regulować poprzez zmianę względnej koncentracji nanoigieł i mikrodysków. Natomiast bardziej jednorodne widmo będzie można osiągnąć, stosując wiele różnych rozmiarów nanoigieł, które uzyskują różne poziomy naprężeń, a zatem i emisję różną od zwykłych studni kwantowych struktury InGaN-GaN.
Kierownikiem projektu i głównym autorem metody jest prof. Anthony H.W. Choi z Uniwersytetu Hong-Kongu. W 2013 uzyskał on patent, który obecnie obowiązuje na całym świecie.
Julien Happich
