A Nanoscale Pixel Architecture for High-Efficiency AlGaN Ultraviolet-C (UV-C) Light-Emitting Diodes

Licht dat we niet kunnen zien, is vaak het krachtigste instrument dat we hebben om de wereld schoon te houden. Diep binnen het ultraviolette spectrum ligt een specifieke band van licht, bekend als UV-C, die dodelijk is voor bacteriën, virussen en andere pathogenen. Decennialang was de enige manier om dit kiemdodend licht te genereren via volumineuze glazen buizen gevuld met kwik- of xenon gas. Deze traditionele lampen zijn zwaar, breekbaar en bevatten giftige materialen, waardoor ze moeilijk te gebruiken zijn in draagbare apparaten of delicate omgevingen. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om deze gaslampen te vervangen door solid-state lichtgevende diodes, vergelijkbaar met de LED's in onze huizen, maar afgestemd op het uitzenden van deze specifieke, voor microben gevaarlijke golflengte. Het materiaal dat nodig is om deze lampen te maken, een mengsel van aluminium, gallium en stikstof, is berucht moeilijk om mee te werken. Hoewel het de belofte in zich draagt compacte, veilige en efficiënte sterilisatiehulpmiddelen te creëren, worstelen de huidige versies van deze apparaten ermee om genoeg licht te produceren om echt nuttig te zijn, waarbij ze vaak het grootste deel van de energie die ze verbruiken, verspillen.

Onderzoekers aan het Institut National de la Recherche Scientifique in Canada, werkend samen met collega's in China en de Verenigde Staten, hebben een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door de vorm van de lichtbron zelf te veranderen. In plaats van een platte, solide blok materiaal te bouwen om licht uit te stralen, hebben ze het oppervlak uitgehouwen in duizenden kleine, individuele pilaren, elk kleiner dan een enkele bacterie. Door het lichtgevende gebied te verkleinen tot een schaal van ongeveer 400 nanometer en ze in een dicht raster te rangschikken, heeft het team een nieuw type architectuur gecreëerd die de manier waarop licht uit het apparaat ontsnapt, fundamenteel verandert. Hun werk laat zien dat deze nanoscale benadering de richting en intensiteit van het licht drastisch kan verbeteren, ook al ontdekten ze dat de materialen die worden gebruikt om deze minuscule structuren te bedekken en te beschermen, momenteel een deel van het licht absorberen dat ze juist bedoeld zijn te behouden.

De reis naar deze doorbraak begon met een eenvoudige observatie over grootte. Het team testte eerst standaard, platte blokken van het lichtgevende materiaal, waarbij ze de breedte varieerden van 60 nm naar 20 nm. Ze ontdekten dat naarmate de blokken kleiner werden, ze veel hogere elektrische stromen konden verwerken zonder oververhit te raken. In de grotere blokken moest het gegenereerde licht diep binnenin een lange afstand afleggen om te ontsnappen, en een groot deel ervan werd door het materiaal weer opgeslokt voordat het naar buiten kon komen. De kleinere blokken, met hun hogere oppervlakte, lieten het licht gemakkelijker ontsnappen en hielden het apparaat koeler, waardoor het per eenheid oppervlak helderder kon schijnen. Dit bevestigde dat het verkleinen van de lichtbron een goede strategie was, maar de onderzoekers vroegen zich af of ze nog kleiner konden gaan om een nog grotere efficiëntie te ontsluiten.

Om dit te beantwoorden, gingen ze van micrometers naar nanometers, gebruikmakend van een techniek genaamd top-down fabricage. Stel je voor dat je een plat blad materiaal neemt en een hoogprecisie elektronenstraal gebruikt om een patroon van kleine cirkels te tekenen, die vervolgens worden weggeëtst om een bos van microscopische pilaren achter te laten. Het team creëerde een reeks van deze pilaren, elk ongeveer 400 nanometer breed, die dicht op elkaar gepakt waren binnen een vierkant gebied van 20 micrometer. Om ervoor te zorgen dat de zijkanten van deze pilaren glad en vrij van schade door het snijproces waren, behandelden ze de structuur met een hete chemische oplossing die de pilaren voorzichtig in een taps toelopende vorm hervormde, breder aan de onderkant en smaller aan de bovenkant. Deze specifieke vorm is cruciaal omdat het licht dat door dit materiaal wordt geproduceerd, de neiging heeft om in een horizontale richting te trillen, wat het normaal gesproken moeilijk maakt om uit het apparaat te trekken. De taps toelopende pilaren werken als trechters die dit hardnekkige licht effectiever naar boven en uit het apparaat leiden dan een plat oppervlak ooit zou kunnen.

Computersimulaties uitgevoerd door het team voorspelden dat dit nieuwe nanopilaar-ontwerp drie tot vier keer beter zou zijn in het extraheren van licht dan de platte, micrometer-grote blokken. De fysica achter dit is dat de kleine pilaren de interne reflecties die licht vangen doorbreken, waardoor het in de lucht kan ontsnappen in plaats van rond te stuiteren binnen het materiaal. Toen de onderzoekers deze apparaten bouwden en testten, waren de resultaten gemengd maar veelzeggend. De nanopilaar-arrays produceerden inderdaad ongelooflijk hoge vermogensdichtheden, die de 10 watt per vierkante centimeter overschreden, en ze bleven stabiel, zelfs onder intense elektrische spanning. Echter, wanneer ze de totale efficiëntie van het uitkomende licht maten, presteerden de nanopilaar-apparaten slechter dan de kleinere platte blokken.

De reden voor deze onverwachte daling in efficiëntie was niet een fout in het ontwerp van de pilaren zelf, maar in het materiaal dat werd gebruikt om hen te bedekken. Om het apparaat functioneel te maken, moesten de onderzoekers de openingen tussen de kleine pilaren opvullen met een heldere, glasachtige coating om het oppervlak glad te maken. Hoewel deze coating noodzakelijk was om het apparaat te laten werken, bleek deze een grote hindernis te zijn. De coating absorbeerde een aanzienlijke hoeveelheid van het UV-C licht terwijl het probeerde door de coating te gaan, waardoor de winst van het slimme pilaarontwerp in essentie teniet werd gedaan. Het team ontdekte dat deze coating drie keer meer licht absorbeerde dan het kale apparaat op zichzelf zou hebben gedaan. Deze ontdekking benadrukt een kritieke flessenhals: de nanopilaar-architectuur is een bewezen succes voor het naar buiten krijgen van licht uit het materiaal, maar de huidige materialen die beschikbaar zijn om deze structuren te beschermen en te egaliseren, zijn niet transparant genoeg voor deze specifieële golflengte van het licht.

Ondanks het absorptieprobleem biedt de studie een duidelijke routekaart voor de toekomst van UV-C technologie. De onderzoekers hebben bewezen dat het concept om de lichtbron naar de nanoschaal te verkleinen werkt, wat een manier biedt om de materiaallimieten te overwinnen die deze apparaten jarenlang hebben gehinderd. Het nanopilaar-ontwerp verbeterde succesvol de richting van het licht en verminderde de interne schade die normaal gesproken de efficiëntie doodt. Het enige dat in de weg staat van een perfect apparaat, is het vinden van een nieuw type heldere coating die het licht niet opeet. Totdat een dergelijk materiaal wordt gevonden, zal het volledige potentieel van deze kleine, hoog-efficiënte lichtbronnen net buiten bereik blijven. Desalniettemin vestigt dit werk dat de weg vooruit ligt in deze ultra-kleine, gestructureerde architecturen, wat een realistische en schaalbare route biedt naar de volgende generatie kiemdodende lampen die op een dag net zo klein en efficiënt zouden kunnen zijn als een smartphone.