压电-光电效应可将LED效能提升4倍

据美国物理学家组织网10月31日报道，美国佐治亚理工学院的研究人员利用氧化锌纳米线大幅提升了氮化镓发光二极管（LED）将电流转化为紫外线的效能。这个装置被认为是首个通过压电—光电效应在压电材料中产生电荷，从而使自身性能大幅提升的LED。相关研究报告发表在近期出版的《纳米快报》杂志上。通过在纳米线上施加机械应变，佐治亚理工学院的研究人员在其中制造了压电电势。该电势被用于调整电荷的传输，并加强LED的载子注入。这种压电电势对于光电设备的控制被称为压电—光电效应。这一效应可增加电子和空穴重新结合以产生光子的速率，并通过提升发光强度和增加注入电流，加强设备的外部效能，使其提升4倍之多。该校材料科学和工程系董事教授王中林表示，从实际情况来看，这个新效应可对光电过程产生诸多影响，包括提升照明装置的能源效率等。传统的LED一般使用量子阱等结构囚禁电子和空穴，这需要两者长时间保持足够靠近以进行重组。电子和空穴靠近的时间越长，LED装置的效率就越高。虽然一般LED的内部量子效率能达到80%，但传统的单p-n结点薄膜LED的外部效率却只有3%。新装置内的氧化锌纳米线构成了p-n结的n，氮化镓薄膜则可作为其中的p。自由载子将被囚禁在这个界面区域内。压电—光电效应可在对设备施加0.093%压应力的情况下，使发光强度提升17倍，令结点电流增强4倍，从而使光电转化率提高约4.25倍。而在合适外应力的作用下，新装置的外部效率可达到7.82%，大大超过了传统LED的外量子效率。研究小组制成的LED能发出波长约为390纳米的紫外线，但王中林教授认为未来可延伸至可见光范围，适用于各类光电设备。目前，高效的紫外线发射器在化学、生物、航空航天、军事和医疗技术领域都有需要。王中林教授还表示，此次研究开辟了利用压电—光电效应调整光电设备的新领域。大幅提升LED照明设备的效率有望带来可观的能源节约，这对于在绿色和可再生能源技术领域的应用而言十分重要，此外，这一发现还能应用于其他由电场控制的光学器件上。（来源：科技日报张巍巍）