EO

Nanodeeltjes kunnen rendement ledverlichting 50% verbeteren

25 oktober 2017 om 15:34 uur

Een microscoopbeeld van een matrix van nauwkeurig gepositioneerde metallische nanodeeltjes op het oppervlak van een galliumarsenide halfgeleider. (foto: Rachel S. Goldman, Michigan Engineering)

Dankzij een nieuwe ontwikkeling zou het rendement van ledverlichting met 50% kunnen worden verbeterd en de techniek zou zelfs het pad kunnen effenen voor de ontwikkeling van ‘onzichtbaarheidsmantels'. Onderzoekers van de University of Michigan hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze metallische nanodeeltjes in halfgeleiders kunnen onderbrengen. Het is de eerste techniek waarmee op een goedkope manier metalen nanodeeltjes op en onder het oppervlak van halfgeleiders kunnen worden aangegroeid. Het proces maakt de productie nauwelijks duurder en door het verbeterde rendement kunnen producenten toe met minder halfgeleiders in voltooide producten, waardoor die goedkoper worden.

 

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.

 

rachel goldmanHet 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.

 

michigan

 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."

phd

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.

 

Video's

Swingend het nieuwe jaar in

Swingend het nieuwe jaar in

De gehele crew van Boston Dyniamics heeft zich ingezet om ons een swingend begin te geven van het…

3D-printen: een accordeon

3D-printen: een accordeon

Sinds 2001 is Casper Burkhardt de Nederlandse importeur voor accordeonbouwer Pigini en reparateur…

Best of CES - een vliegende auto's of een transparante TV?

Best of CES - een vliegende auto of een transparante TV?

Het team de Amerikaanse tech-site CNet heeft een selectie gemaakt van de beste producten op de…

Gaan superheld-gadgets in de toekomst ons leven redden?

Gaan superheld-gadgets ons leven redden?

Het exoskelet van Iron Man, Hawkeye met zijn superieure zicht en Collosus die zijn lichaam in…

's Werelds eerste elektrische vierzitter komt uit China

's Werelds eerste elektrische vierzitter komt uit China

Het Chinese Liaoning General Aviation Research Institute gaf zijn elektrische vierzitter RX4E in…

Meer videos »

Laatste nieuws

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion krijgt testvluchtvergunning

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion de lucht in (video)

's Werelds eerste volledig elektrische vierpersoons passagiersvliegtuig heeft een testvluchtvergunning gekregen. De Hy4 is ontwikkeld in Duitsland en vliegt op waterstof, aangevuld met extra power uit een li-ion…

Een rat kan best een elektrisch wagentje besturen

Of zetten we een rat op de heftruck?

De mens denkt tegenwoordig vooral aan robots als het gaat om het overnemen van vervelende taken, maar wat blijkt? De rat is ook heel geschikt. Als je hem beloont met lekkere zoete ontbijtgranen, rijdt hij bijvoorbeeld…

Fe-Mn-K-katalysator maakt vliegtuigbrandstof uit 'lucht'

Vliegen op uitlaatgas

Onderzoekers hebben een efficiënte manier gevonden om uit de lucht afgevangen koolstof om te zetten in vliegtuigbrandstof. Zo kunnen vliegtuigen dus deels vliegen op hun eigen uitstoot.

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Agenda

25 februari 2021, 24, 25 en 26 februari 2021

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

15 maart 2021, Utrecht

Technishow + Esef

TechniShow is ingedeeld in verschillende sectoren waar productietechnieken, fases en toebehoren van het...

24 maart 2021, Groningen

Main Industry

Vakbeurs voor industrial maintenance en smart industry

Meer agendapunten »