Nanotråde kan blive fremtidens lysdioder
Lysdioder opbygget af nanotråde vil både bruge mindre energi og give bedre lys, viser nyeste forskning fra Niels Bohr Institutet. Forskerne har undersøgt nanotråde med røntgenstråle-mikroskopi, og med metoden kan de udpege præcist, hvordan nanotrådene skal konstrueres for at give de bedste egenskaber. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, ACS Nano.
Her ses en række nanotråde bestående af en indre kerne af gallium-nitrid (GaN), og yderst er der et lag af indium-gallium-nitrid (InGaN). Nanotrådene er cirka 2 mikrometer høje (1 mikrometer er en tusindedel millimeter) og 400 nanometer i diameter (1 nanometer er 1 tusindedel mikrometer).
Nanotråde er ganske små – cirka 12 mikrometer høje (1 mikrometer er en tusindedel millimeter) og 10-500 nanometer i diameter (1 nanometer er 1 tusindedel mikrometer).
Nanotråde til lysdioder eller LED-lys består af en indre kerne af gallium-nitrid (GaN), og yderst er der et lag af indium-gallium-nitrid (InGaN), der begge er halvledermaterialer.
”Lyset i sådan en diode er afhængigt af de mekaniske spændinger, der er mellem de to materialer, og spændingerne er meget afhængig af, hvordan de to lag er i kontakt med hinanden. Vi har undersøgt en række nanotråde med røntgenmikroskopi, og selv om nanotrådene i princippet burde være helt ens, kan vi se, at de alligevel er forskellige og har meget forskellig struktur”, fortæller Robert Feidenhans’l, professor og institutleder på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Ph.d.-studerende Tomas Stankevic og professor Robert Feidenhans’l har undersøgt nanotrådene med røntgenstråle-mikroskopi.
Overraskende effektivt
Undersøgelserne blev udført med nanoskala røntgenmikroskopi i elektron-synkrotronen på DESY i Hamburg, Tyskland. Metoden er normalt meget tidskrævende, og resultaterne begrænser sig ofte til nogle ganske få eller endda kun en enkelt undersøgelsesgenstand. Men her har forskerne ved hjælp af specialdesign af en nanofokuseret røntgenstråle opnået måling af en hel række opretstående nanotråde på én gang og uden, at nanotrådene ødelægges i processen.
Røntgenbillederne af hver enkelt nanotråd viser fordelingen af spredningens intensitet og mekaniske spænding i kernen af gallium-nitrid og overfladen af indium-gallium-nitrid. Spændings-tilstanden viser, at overfladen passer perfekt med kernen.
”Vi målte 20 nanotråde, og da vi så billederne, blev vi meget overraskede, for man kunne tydeligt se detaljerne for hver enkelt tråd. Man kan se strukturen af både den indre kerne og af laget udenpå. Hvis der er defekter i strukturen, eller hvis de er en smule bøjede, fungerer de ikke så godt. Så vi kan udpege præcist, hvilke nanotråde, der er de bedste og har den mest effektive kerne/overflade-struktur”, fortæller Tomas Stankevic, der er ph.d.-studerende i forskningsgruppen ’Røntgen- og Neutronspredning’ på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Eksperimentopstilling. En række af nanotråde blev skannet i den nano-fokuserede røntgenstråle, mens der blev målt refleksioner fra nanotrådenes forskellige lag. Reflektionernes placering giver information om hældninger og deformationer i nanotrådene.
Nanotrådene produceres af et firma i Sverige, og med de nye oplysninger kan man finjustere lagstrukturen i nanotrådene.
Professor Robert Feidenhans’l fortæller, at der er store perspektiver i sådanne nanotråde. De vil give et mere naturligt lys i lysdioder, og de vil bruge langt mindre strøm. Desuden vil de kunne anvendes i transistorer, smartphones, fjernsyn og mange former for belysning.
Forskerne forventer, at det vil kunne gå meget stærkt, og at de kan være i brug allerede indenfor fem år.
Robert Feidenhans’l, professor, institutleder Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 2875-0397, robert@nbi.ku.dk
Tomas Stankevic, ph.d.-stud., Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 9111-1486, tomas.stankevic@nbi.dk