Yhdysvaltalaisten Lehigh Universityn ja West Chesterin Universityn sekä Osakan ja Amsterdamin yliopiston tutkijoiden kansainvälisen yhteistyö osoittaa, että galliumnitri- eli GaN-ledien väriä on mahdollista virittää muuttamalla aikajärjestystä, jolla toimintavirtaa ajetaan piiriin. Tämän avulla voidaan tuottaa kirkkaita valkoisia ja miellyttävämpiä lämpimiä värejä kaupallisissa ledeissä.

Nykyledeissä eri värit tuotetaan kolmesta neljään yksittäisellä ledillä, joilla luodaan eri värejä, joita tarvitaan täydellisen värispektrin tuottamiseen. Tutkijat osoittivat, että on mahdollista tuottaa punaisia, vihreitä ja sinisiä emissioita, jotka ovat lähtöisin vain yhdestä GaN LED-rakenteesta. Ledissä hyödynnetään seosteena yhtä harvinaisten maametallien eli europiumin ionia.

Tutkijoiden mukaan tekniikka ei rajoitu vain GaN:Eu-järjestelmään, vaan on yleisempi ja se on yhteensopiva nykyisten kaupallisten ledien kanssa.

Wienin teknisessä korkeakoulussa on puolestaan löydetty eksoottisten hiukkasten valo käytettäväksi uuden tyyppisenä valoa emittoivana diodina. Nyt valoa syntyy eksitonikompleksien säteilyä aiheuttavasta hajoamisesta kerroksissa, jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia.

Tutkijat onnistuivat hyödyntämään eksitoniklustereita suuntaamalla sähköpulsseja boorinitridiin kapseloiduissa WSe2:ssa ja WS2:ssä käyttämällä elektrodina grafeenia. Tuloksena on innovatiivinen ledin muoto, jossa halutun valon aallonpituutta voidaan hallita tarkasti.

Elektronien ja aukkojen muodostamat yksinkertaiset sidostilat voidaan muodostaa jopa huonelämpötilassa mutta suuret eksitonikompleksit voidaan havaita vain matalissa lämpötiloissa, kertovat tutkijat. Erilaisia eksitonikomplekseja voidaan tuottaa riippuen siitä, kuinka järjestelmään syötetään sähköenergiaa lyhyitä jännitepulsseja käyttäen. Kun nämä kompleksit hajoavat, ne vapauttavat energiaa valon muodossa, jolloin äskettäin kehitetty kerrosjärjestelmä toimii ledinä.

- Valaiseva kerrosjärjestelmämme ei ole vain tilaisuus tutustua eksitoneihin, vaan on myös innovatiivinen valonlähde, kertoo tutkimuksen vetäjä Matthias Paur.

Nykyiset ledit ja laserit perustuvat superinjektioon, jonka ajateltiin vuosikymmenien ajan tapahtuvan vain puolijohteisissa heterorakenteissa. Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutin (MIPT) tutkijat ovat havainneet superinjektion yhden materiaalin homorakenteissa.

- Piin ja germaniumin tapauksessa superinjektio vaatii kryogeenisiä lämpötiloja, mutta timantti- tai galliumnitridissä vahva superinjektio voi tapahtua jopa huoneenlämmössä, toteavat tutkijat.

- Yllättävää on, että timanttien superinjektion vaikutus on 50-100 kertaa voimakkaampi kuin useimmissa massamarkkinoiden ledeissä ja lasereissa.

Fyysikot korostivat, että superinjektion pitäisi olla mahdollista monissa puolijohdesarjoissa tavanomaisista laajakaistaisista puolijohdekomponenteista uusiin kaksiulotteisiin materiaaleihin. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia suunnitella erittäin tehokkaita sinisiä, violetteja, ultravioletti- ja valkoisia ledejä.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 3.5.2019