Deși energia ultravioletă reprezintă doar 5% din lumina soarelui, ea este folosită pe scară largă în viața omului. În prezent, aplicațiile de lumină UV includ întărirea prin imprimare, anti-falsificarea monedelor, tratamentul bolilor pielii, lumina de creștere a plantelor și deteriorarea structurii moleculare a microorganismelor, cum ar fi bacteriile și virusurile. Prin urmare, este utilizat pe scară largă în sterilizarea aerului, purificarea apei și sterilizarea și dezinfectarea suprafeței solide.
Sursa tradițională de lumină ultravioletă folosește, în general, starea excitată de descărcare de vapori de mercur pentru a genera lumină ultravioletă, care are multe defecte precum consumul mare de energie electrică, generarea mare de căldură, viața scurtă, răspunsul lent și riscurile potențiale de siguranță. Noua sursă de lumină ultravioletă profundă folosește principiul emițătorului de diodă (LED), care are multe avantaje față de lămpile tradiționale de mercur. Cel mai important avantaj este că nu conține mercur toxic. Odată cu punerea în aplicare a Convenției Minamata, indică faptul că utilizarea lămpilor ultraviolete care conțin mercur va fi complet interzisă în 2020. Prin urmare, modul de dezvoltare a unei noi surse de lumină ultraviolete ecologice și eficiente a devenit o provocare importantă cu care se confruntă oamenii. .
LED-urile ultraviolete profunde (LED-uri DUV) bazate pe materiale semiconductoare cu bandă largă (GaN, AlGaN) au devenit singura alegere pentru această nouă aplicație. Acest sistem de sursă de lumină în stare solidă are dimensiuni mici, ridicat de eficiență și de lungă viață. Doar un cip de dimensiunea capacului degetului mare, poate emite lumină ultravioletă care este mai puternică decât o lampă cu mercur. Misterul acestui lucru depinde în principal de materialul semiconductor cu bandă directă a bandelor de nitruri din grupa III: electronii din banda de conducere și orificiile din banda de valență se recombină, generând astfel fotoni. Energia fotonului depinde de lățimea interzisă a materialului. Oamenii de știință pot realiza cu precizie emisia diferitelor lungimi de undă prin ajustarea compoziției elementului în compusul ternar, cum ar fi AlGaN. Cu toate acestea, nu este întotdeauna ușor să se realizeze o emisie luminoasă de înaltă eficiență a ledurilor UV. Cercetătorii au descoperit că atunci când electronii și găurile se recombină, fotonii nu sunt întotdeauna generați. Această eficiență se numește eficiență cuantică internă (IQE).
Grupul de cercetare Sun Haiding and Shibing Long al Școlii de Microelectronică, Universitatea de Științe și Tehnologie din China, și Guo Wei și Ye Jichun de la Ningbo Institute of Materials of the Chinese Academy of Sciences au descoperit că pentru a crește IQE valoarea LED-urilor UV, un substrat care poate fi cultivat prin materiale AlGaN-safir Al2O3 este controlat de unghiul de teșire. Cercetătorii au descoperit că atunci când unghiul de teșire a substratului este crescut, luxațiile din interiorul LED-ului UV sunt în mod semnificativ suprimate, iar intensitatea luminoasă a dispozitivului este îmbunătățită semnificativ. Atunci când substratul cu șanț atinge 4 grade, intensitatea spectrului de fluorescență a dispozitivului este crescută cu un ordin de mărime, iar eficiența cuantică internă a atins un nivel record de 90%.
Diferență de structura tradițională a LED-urilor UV, grosimea putului potențial și bariera din puțul cuantic cu mai multe straturi (MQW) nu sunt uniforme în stratul care emite lumină din interiorul acestei noi structuri. Cu ajutorul microscopiei electronice cu transmisie de înaltă rezoluție, cercetătorii au putut analiza structurile cuantice cu puțini nanometri la scară microscopică. Studiile arată că la pasul de substrat, atomii de galiu (Ga) se vor acumula, ceea ce duce la o îngustare a benzii de energie localizate, iar pe măsură ce filmul crește, regiunile bogate în Ga și Al se vor extinde la LED-urile DUV. Suprafață și răsucită și îndoită în spațiul tridimensional, formând o structură tridimensională cu mai multe cuanturi.
Cercetătorii numesc acest fenomen special: separarea în faze a elementelor Al și Ga și localizarea transportatorilor. De remarcat este faptul că, în sistemul LED albastru bazat pe InGaN, In nu este 100% miscibil cu Ga, rezultând regiuni bogate în In și Ga în material, ceea ce duce la apariția statelor locale și la încărcarea promovată. Recombinarea radiațională a transportatorilor. Cu toate acestea, în sistemele materiale AlGaN, se observă foarte rar separarea fazelor de Al și Ga. Una dintre semnificațiile importante ale acestei lucrări este că modul de creștere a materialului este reglat artificial pentru a promova separarea fazelor și, astfel, îmbunătățirea considerabilă a caracteristicilor de emisie de lumină ale dispozitivului.
Optimizând ajustarea creșterii epitaxiale pe un substrat de tegument de 4 grade, cercetătorii au explorat o structură optimă a LED-ului DUV. Durata de viață a purtătorului acestei structuri depășește 1,60 ns, care este în general mai mică decât 1ns în dispozitivele tradiționale. Încercând în continuare puterea luminoasă a cipului, cercetătorii au descoperit că puterea luminoasă ultravioletă este de peste două ori mai mare decât cea a dispozitivelor tradiționale bazate pe un substrat de teș de 0,2 grade. Aceasta este o dovadă mai certă că materialele AlGaN pot obține o separare eficientă a fazelor și localizarea purtătorului. În plus, experimentații au simulat, de asemenea, fenomenul de separare a fazelor din interiorul puțurilor cuantice multiple AlGaN și efectele denivelării putului potențial și a grosimii barierei asupra intensității luminoase și lungimii de undă prin calcule teoretice. Calculele teoretice sunt în acord cu experimentele.
Rezultatele cercetării au fost completate în comun de profesorii Dai Jiangnan și Chen Changqing de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Huazhong, profesorul Zhang Zihui de la Universitatea de Tehnologie Hebei și profesorul Boon Ooi și profesorul Iman Roqan de la Universitatea de Științe și Tehnologie King Abdullah. Cercetătorii consideră că această cercetare va oferi noi idei pentru dezvoltarea de surse ultraviolente de înaltă eficiență ultra-solidă. Această idee nu necesită substraturi scumpe modelate sau procese complicate de creștere epitaxială. Și doar bazându-ne pe reglarea unghiului de conos al substratului și potrivirea și optimizarea parametrilor de creștere epitaxiali, este de așteptat ca caracteristicile luminoase ale LED-urilor UV să fie îmbunătățite la un nivel comparabil cu cel al LED-urilor albastre, punând un test pentru aplicații la scară largă a LED-urilor UV adânci de înaltă putere Și bază teoretică. Rezultatele aferente sunt intitulate „Luminescența ultraviolete îmbunătățită fără ambiguitate a structurilor de puțuri cu sondă ondulată AlGaN Grown on Substrate Sapphire Large Misoriented” și publicată online la Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).