I ricercatori hanno utilizzato microfili di ossido di zinco per migliorare significativamente l'efficienza con cui i diodi a emissione di luce (LED) al nitruro di gallio convertono l'elettricità in luce ultravioletta. Si ritiene che i dispositivi siano i primi LED le cui prestazioni sono state migliorate mediante la creazione di una carica elettrica in un materiale piezoelettrico utilizzando l'effetto piezo-fototronico.

Applicando una sollecitazione meccanica ai microfili, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno creato un potenziale piezoelettrico nei fili, e quel potenziale è stato utilizzato per sintonizzare il trasporto di carica e migliorare l'iniezione del vettore nei LED. Questo controllo di un dispositivo optoelettronico con potenziale piezoelettrico, nota come piezofototronica, rappresenta un altro esempio di come i materiali che hanno proprietà sia piezoelettriche che semiconduttive possono essere controllati meccanicamente.

"Utilizzando questo effetto, possiamo migliorare l'efficienza esterna di questi dispositivi di un fattore di più di quattro volte, fino all'otto per cento, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore Regents presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Dal punto di vista pratico, questo nuovo effetto potrebbe avere molti impatti sui processi elettro-ottici, inclusi miglioramenti nell'efficienza energetica dei dispositivi di illuminazione".

I dettagli della ricerca sono stati riportati nel numero del 14 settembre della rivista Nano lettere . La ricerca è stata sponsorizzata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Oltre a Wang, il gruppo di ricerca comprendeva principalmente Qing Yang, uno scienziato in visita presso la Georgia Tech del Dipartimento di Ingegneria Ottica dell'Università di Zhejiang in Cina.

A causa della polarizzazione degli ioni nei cristalli di materiali piezoelettrici come l'ossido di zinco, la compressione meccanica o la deformazione meccanica delle strutture realizzate con i materiali crea un potenziale piezoelettrico:una carica elettrica. Nei LED al nitruro di gallio, i ricercatori hanno utilizzato il potenziale piezoelettrico locale per regolare il trasporto di carica alla giunzione p-n.

L'effetto era quello di aumentare la velocità con cui elettroni e lacune si ricombinavano per generare fotoni, migliorare l'efficienza esterna del dispositivo attraverso una migliore emissione di luce e una maggiore corrente di iniezione. "L'effetto del piezopotenziale sul comportamento di trasporto dei portatori di carica è significativo a causa della sua modifica della struttura della banda alla giunzione, "Ha spiegato Wang.

I fili di ossido di zinco formano il componente "n" di una giunzione p-n, con il film sottile di nitruro di gallio che fornisce il componente "p". I portatori liberi sono stati intrappolati in questa regione di interfaccia in un canale creato dalla carica piezoelettrica formata dalla compressione dei fili.

I design LED tradizionali utilizzano strutture come i pozzi quantici per intrappolare elettroni e lacune, che devono rimanere ravvicinati abbastanza a lungo da ricombinarsi. Più a lungo elettroni e lacune possono essere trattenuti in prossimità l'uno dell'altro, maggiore sarà l'efficienza del dispositivo LED alla fine.

I dispositivi prodotti dal team della Georgia Tech hanno aumentato la loro intensità di emissione di un fattore 17 e hanno aumentato la corrente di iniezione di un fattore quattro quando è stata applicata una deformazione di compressione dello 0,093 percento al filo di ossido di zinco. Ciò ha migliorato l'efficienza di conversione fino a un fattore di 4,25.

I LED fabbricati dal gruppo di ricerca hanno prodotto emissioni a frequenze ultraviolette (circa 390 nanometri), ma Wang crede che le frequenze possano essere estese nella gamma della luce visibile per una varietà di dispositivi optoelettronici. "Questi dispositivi sono importanti per l'attenzione odierna sulla tecnologia dell'energia verde e rinnovabile, " Egli ha detto.

Nei dispositivi sperimentali, un singolo LED micro/nanowire all'ossido di zinco è stato fabbricato manipolando un filo su un substrato scavato. Un film di nitruro di gallio drogato con magnesio è stato coltivato epitassialmente su un substrato di zaffiro mediante deposizione di vapore chimico metallorganico, ed è stato utilizzato per formare una giunzione p-n con il filo di ossido di zinco.

Come catodo è stato utilizzato un substrato di zaffiro che è stato affiancato al substrato di nitruro di gallio con un gap ben controllato. Il filo è stato posizionato attraverso lo spazio a stretto contatto con il nitruro di gallio. Nastro di polistirene trasparente è stato utilizzato per coprire il nanofilo. Una forza è stata quindi applicata al nastro da un'asta di allumina collegata a uno stadio di nanoposizionamento piezoelettrico, creando la tensione nel filo.

I ricercatori hanno quindi studiato il cambiamento nell'emissione di luce prodotta variando la quantità di deformazione in 20 dispositivi diversi. La metà dei dispositivi ha mostrato una maggiore efficienza, while the others – fabricated with the opposite orientation of the microwires – showed a decrease. This difference was due to the reversal in the sign of the piezopotential because of the switch of the microwire orientation from +c to –c.

High-efficiency ultraviolet emitters are needed for applications in chemical, biological, aerospaziale, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

"This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."