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

Vliegtuigjes kunnen nu helemaal autonoom landen

Vliegtuigjes kunnen nu helemaal autonoom landen

Onderzoekers van de TU in München hebben een systeem ontwikkeld dat vliegtuigen autonoom kan…

Volkswagen ID.R breekt twintig jaar oud record in Goodwood

Volkswagen ID.R breekt twintig jaar oud record in Goodwood

Voor wie op vakantie was: begin deze zomer heeft Volkswagen een unieke prestatie neergezet. Het…

Voor je tv springen en duiken als Spiderman

Voor je tv springen en duiken als Spiderman

Hoe denk je dat Spiderman vliegt? Juist, in een tuigje! En een kopie daarvan wordt nu op Kickstarter…

Op weg naar een alomvattende materialendatabase

Op weg naar een alomvattende materialendatabase

Is het mogelijk om de manier waarop licht van zijde weerkaatst digitaal na te bootsen? De…

Geluid ontwerpen met simulaties

Geluid ontwerpen met simulaties

Hoe gebruik je simulaties bij het ontwerpen van geluid? Samsung publiceerde onlangs onderstaande…

Meer videos »

Laatste nieuws

Een tijger in je Jaguar

Een tijger in je Jaguar

Ingenieurs van Jaguar Land Rover werken aan een nieuwe 3D-head-updisplay die veilig- heidswaarschuwingen projecteert in het blikveld van de bestuurder en hem ondersteunt bij slecht zicht. De augmented reality-technologie…

Licht uit modder

Licht uit modder

De Nederlandse designer Teresa van Dongen zoekt sinds 2016 naar manieren om bacteriën te gebruiken om elektriciteit op te wekken voor menselijk gebruik. En dat lukt. Op Oerol creëerde ze dit jaar Mud Well, een…

Autobatterijen veiliger en koeler dankzij nieuw schuim

Autobatterijen veiliger en koeler dankzij nieuw schuim

Asahi Kasei Introduceert een lichtgewicht materiaal voor een hogere efficiency en verbeterde veiligheid van batterijen voor elektrische auto's: SunForce m-PPE korrelschuim.

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Agenda

22 augustus 2019, vianen

Praktijkdag Performance Level (PL) ISO 13849-1

Na de theoriedag PL/SIL of module 4: Ontwerpen besturingstechnische veiligheidsmaatregelen van de...

23 augustus 2019

Praat mee over een toekomstbestendige machinerichtlijn

Nederland levert een bijdrage aan een impact-assessment betreffende de nieuwe Europese Machinerichtlijn...

2 september 2019, D&F kantoor Breda

Performance Level en Sistema 2.0

Meer agendapunten »