由美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家組成的團隊開發(fā)的一種新型發(fā)光二極管(LED)可能是克服長期以來光源效率限制的關鍵。這一概念在實驗室用微型LED進行了演示，實現(xiàn)了亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力——所有這些特性都使其在大規(guī)模和小型化應用中具有極高的價值。

該團隊還包括來自馬里蘭大學、倫斯勒理工學院和IBM托馬斯·J·沃森研究中心的科學家，他們的研究發(fā)表在同行評議期刊《科學進展》上，論文中詳細介紹了他們的工作。他們的設備顯示亮度比傳統(tǒng)的亞微米大小的LED設計增加了100到1000倍。

“這是制造LED的新架構。”NIST的Babak Nikoobakht說，他構思了這個新設計。“我們使用與傳統(tǒng)LED相同的材料。我們的不同之處在于它們的形狀。”

LED燈已經(jīng)存在了幾十年，但明亮的LED的研發(fā)贏得了諾貝爾獎，并開啟了照明的新時代。然而，即使是現(xiàn)代的LED也有它的局限性，這讓它們的設計者感到沮喪。在一定程度上，增加LED的電量會使其發(fā)光更加明亮，但很快亮度就會降低，使得LED的效率非常低。這個被業(yè)界稱為“效率下降”的問題阻礙了LED在從通信技術到殺毒等許多有前景的應用領域的應用。

盡管研究人員的新型LED設計克服了效率下降的問題，但研究人員最初并不是奔著解決這個問題去的。他們的主要目標是創(chuàng)造一種微型LED，用于非常小的應用，比如NIST和其他地方的科學家正在追求的芯片上實驗室技術。

研究小組對發(fā)光的LED部分進行了全新設計的實驗:與傳統(tǒng)LED中使用的平面設計不同，研究人員用又長又薄的氧化鋅線制造了一種光源，他們稱之為鰭。(“長”和“瘦”是相對而言的:每個鰭只有大約5微米長，大約是人類平均頭發(fā)寬度的十分之一。)它們的鰭陣列看起來像一個小梳子，可以延伸到1厘米或更多的區(qū)域。

“我們在魚鰭上看到了商機，因為我認為它們細長的形狀和較大的側面可能能夠接收到更多的電流。”Nikoobakht說，“一開始，我們只是想衡量一下新設計能承受多大的壓力。我們開始增加電流，想把它燒完，但它卻越來越亮。”

研究人員的新設計能發(fā)出橫跨紫色和紫外光邊界的明亮波長，產(chǎn)生的能量是典型的小型LED的100到1000倍。Nikoobakht把這個結果描述為一個重要的基礎性發(fā)現(xiàn)。

他說:“一個典型的面積小于1平方微米的LED發(fā)光功率約為22納瓦，但這種LED能產(chǎn)生高達20微瓦的功率。”“這表明，這種設計可以克服led的效率下降，使光源變得更亮。”

“這是我見過的最有效的解決方案之一。”沒有參與該項目的南卡羅來納大學電子工程教授格里戈里·西敏(Grigory Simin)說。該組織多年來一直致力于提高LED的效率，而其他方法在應用于亞微米波長LED時往往會遇到技術問題。這種方法很有效。”

在增加電流的同時，研究小組還發(fā)現(xiàn)了另一個驚人的發(fā)現(xiàn)。雖然LED起初在一個波長范圍內發(fā)光，但它相對較寬的發(fā)射最終縮小到兩個波長的強烈紫色。簡單來說：他們的微型LED變成了微型激光器。

“將LED轉換成激光需要很大的努力。它通常需要將LED與諧振腔耦合，使光在諧振腔周圍反射，從而產(chǎn)生激光�？磥眦挼脑O計可以自己完成整個工作，而不需要增加另一個空腔。”

一個微型激光器對于芯片規(guī)模的應用來說，不僅在化學傳感領域，而且在下一代手持通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面至關重要。

“它有很大潛力成為一個重要的組成部分。” Nikoobakht說，“雖然這不是人們制造的最小的激光，但它非常明亮。如果效率沒有下降，它就會有用。”