Nanodeeltjes kunnen rendement ledverlichting 50% verbeteren

De metalen nanodeeltjes verbeteren het rendement van led’s op verschillende manieren. Ze kunnen werken als kleine antennes die de stroom door halfgeleiders veranderen en omleiden, om meer elektriciteit om te zetten in licht. Ze kunnen ook helpen om het licht vanuit de component naar buiten te reflecteren en zo voorkomen dat het binnen ‘gevangen’ blijft.

Het proces kan worden toegepast met galliumnitride, dat wordt gebruikt voor ledverlichting, en het kan ook het rendement verhogen van andere halfgeleiderproducten, waaronder zonnecellen.

"Het is een naadloos aansluitende toevoeging aan het productieproces en daarom is het zo spannend", zegt natuurkundige en materiaalwetenschapper professor Rachel Goldman. "De mogelijkheid om 3D-structuren te maken met deze nanodeeltjes gaat een groot aantal nieuwe dingen mogelijk maken."

De innovatie

Het idee om nanodeeltjes toe te voegen om led’s efficiënter te maken is niet nieuw. Maar eerdere pogingen om het te realiseren waren niet praktisch voor grootschalige productie. Ze gingen vooral uit van nogal prijzige materialen, zoals zilver, goud en platina. Bovendien zijn heel precieze afmetingen en onderlinge afstanden vereist en dat vraagt extra, dure productiestappen. En er was bovendien geen prijsgunstige manier om deeltjes onder het oppervlak op te nemen. Het team van Goldman ontdekte een eenvoudigere manier die makkelijk aansluit bij het molecuulbundelepitaxieproces dat wordt gebruikt voor de productie van halfgeleiders.

Molecuulbundelepitaxie ‘sproeit’ diverse lagen metallische elementen op een wafer. Zo worden exact de juiste geleidende eigenschappen verkregen voor een gegeven doel. De onderzoekers in Michigan pasten een ionenbundel toe tussen de lagen – een stap waarbij metaal uit de halfgeleiderwafer wordt gedrukt en terecht komt op het oppervlak. Het metaal vormt deeltjes op nanoschaal en die vervullen dezelfde rol als de dure gouden en platina spikkeltjes in eerder onderzoek. Hun afmetingen en plaatsing kunnen nauwkeurig worden geregeld door het variëren van de hoek en de intensiteit van de ionenbundel. Het telkens herhalen van de ionenbundelbehandeling tussen elke laag creëert een halfgeleider met de nanodeeltjes overal verspreid.

 Het inwendige van de hoofdkamer van de molecuulbundel apparatuur waar de lagen op de wafer worden gesproeid. (foto: Joseph Xu, Michigan Engineering)

"Als je de afmetingen en tussenruimte van de nanodeeltjes nauwkeurig op maat maakt en ook de diepte waarop ze zijn ingebed, kun je een ‘sweet spot’ vinden die de lichtemissie versterkt", zegt Myungkoo Kang, oud-student in het lab van Goldman, en eerste auteur van een artikel over het onderzoek. "Dit proces biedt een veel simpelere en goedkopere manier om dat te bereiken".

Onderzoekers weten al jaren dat metallische deeltjes zich tijdens de productie kunnen verzamelen op het oppervlak van halfgeleiders. Maar dat werd altijd gezien als overlast, iets dat gebeurt als de mix van elementen niet klopt of de timing onjuist is.

"Al sinds het begin van de halfgeleiderproductie was het doel altijd dat er een gladde laag van elementen op het oppervlak wordt gesprayd. Als de elementen in plaats daarvan deeltjes gingen vormen, werd dat beschouwd als een fout", zegt Goldman. "Maar wij beseften dat deze ‘fouten’ erg lijken op de deeltjes die de producenten zo moeizaam probeerden onder te brengen in led’s."

Materiaalwetenschapper Sunyeol Jun prepareert de apparatuur voor molecuulbundelepitaxie, die wordt gebruikt om galliumnitride halfgeleiders te maken met ingebedde nanodeeltjes. (foto: Joseph Xu, Michigan Engineering)

De onzichtbaarheidsmantel

Omdat de techniek een nauwkeurige beheersing van de distributie van de nanodeeltjes mogelijk maakt, zeggen de onderzoekers dat hij ooit bruikbaar zou kunnen zijn voor mantels die een voorwerp deels onzichtbaar maken door het introduceren van een fenomeen dat ‘omgekeerde refractie’ wordt genoemd. Omgekeerde refractive buigt lichtgolven terug op een manier die in de natuur niet voorkomt en die het licht potentieel om een object heen leidt, of weg van het oog. De onderzoekers denken dat door het nauwkeurig bepalen van de grootte en afstanden in een matrix van nanodeeltjes het voor specifieke golflengten van het licht mogelijk moet zijn om omgekeerde refractie op te wekken en onder controle te houden.

"Voor onzichtbaarheidsmantels moeten het licht uiterst nauwkeurig manipuleren en verzenden, en dat is nu extreem moeilijk", stelt Goldman. "Maar we verwachten dat ons proces ons de mate van beheersing kan opleveren die daarvoor nodig is".

Het team is nu bezig om het ionenbundelproces aan te passen voor de specifieke materialen die in led’s worden gebruikt – ze schatten dat de verlichtingscomponenten met een hoger rendement binnen de komende vijf jaar marktrijp kunnen zijn. Onzichtbaarheidsmantels en andere toepassingen zullen langer op zich laten wachten.