科学家意外创造全新LED设计，发光功率提升1000倍

多客科技

发光二极管（LED）是现代住宅、工业和汽车照明等领域广泛应用的理想照明光源，但是 LED 却有种技术限制被称为 “光效下降” 效应。
这种限制通俗来讲，就是 LED 只在低电流 (仅几十毫安) 下可以最有效地工作，而随着输入电流的增大，发光效率反而会逐渐降低。这意味着要维持照明效率，LED 必须在较低的电流下工作，且由于 LED“光效下降”效应，我们必须增大 LED 器件的面积，或在一个灯泡中增加更多的 LED，从而在不牺牲效率的同时增加亮度，这不仅限制了所有商用 LED 的性能提升，也将亚微米级 LED 和激光器的输出功率限制为纳瓦。
不过，新的研究发现可能会从根本上改变这种情况。日前，由美国国家标准与技术研究所（NIST）牵头的科研小组开发了一种新型 LED 设计：“鳍式”LED（Fin LED），这种设计可以产生微瓦级的输出功率，比现有的纳米级 LED 和激光器高出约 1000 倍，可能是克服 LED 光源效率限制的关键一步。
该研究小组还包括来自马里兰大学、伦斯勒理工学院和 IBM 托马斯 ·J· 沃森研究中心的多位科学家，论文发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上，LED 亮度的大幅提高以及产生激光的能力等特性，都有望使该技术产生更多衍生价值。



图｜“鳍式”LED 像素设计包括发光的氧化锌“鳍”（紫色）、隔离介电材料（绿色）和金属触点（黄色）（来源：NIST）
NIST 负责构思 LED 新设计的专家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）说：“这是制造 LED 的全新架构，我们使用的材料与传统 LED 相同，区别在于它们的形状不同。”
LED 早在 1962 年就由美国通用电气公司研究员尼克 · 何伦亚克（Nick Holonyak）发明，当初只有红色。2014 年度，诺贝尔物理学奖授予了三名日本科学家（赤崎勇、天野浩和中村修二），以表彰他们发明了蓝光 LED 技术，开创了照明新时代。
虽然有几十年的技术发展史，但即使是现代的 LED 产品，其局限性也使它们的设计师们感到沮丧。在某种程度上，给一个 LED 输入更多的电能会使它发光更明亮，但是达到一个临界点后，就会只剩工作温度剧增，而亮度却会大幅衰减，这使得 LED 的光效输出一直难有突破，如果可以消除 LED 光效下降问题，我们就可以简单地通过增加驱动电流来使 LED 变得更亮。
有意思的是，研究人员开发的新设计，最初并不是为了着手解决 “光效下降” 这个问题，他们原打算制造一种微型 LED，用于非常小的应用，例如 NIST 正在研究的芯片实验室技术。
研究小组对 LED 发光部分进行了全新的构建：与常规 LED 所采用的平面设计不同，他们使用长而细的氧化锌线束（称为鳍片）构建了光源，每个鳍的长度仅约 5 微米，大约是人类头发平均宽度的十分之一，它们组成的鳍阵列看起来像一个微小的梳子，可以延伸到 1 厘米或更大的区域。



图｜鳍式 LED 像素和阵列光学图像（来源：Science Advances）
尼古巴赫说：“我们看到了鳍片的机会，因为我认为鳍片的细长形状和较大的侧面可以接收更多的电流。一开始我们只是想测试一下新设计的‘极限’，我们开始加大电流，想办法把它开到烧坏为止，但它总是越来越亮。”
典型的面积小于平方微米的 LED 发光功率约为 22 纳瓦，但这种新型 LED 最多可产生 20 微瓦，将发光功率最高提升近 1000 倍。这表明该设计克服了 LED 的光效下降障碍，从而使光源更明亮。
“这是我见过的最有效的解决方案之一。”南卡罗来纳大学电气工程教授格里戈里 · 西敏（Grigory Simin）评价说，学界和产业界多年来一直致力于提高 LED 的效率，而其他方法在应用于亚微米级的 LED 时通常会遇到技术问题，这种方法却做得很好。”



图｜在高电流密度下，鳍式 LED 过渡到鳍式激光器（来源：Science Advances）
当在实验中不断加大电流时，研究小组又有了一个惊人发现。虽然 LED 起初在一定波长范围内发光，但其最终会缩小为深紫色的两个波长，他们的微型 LED 竟然变成了一个微小的激光器，实验记录到的电流密度为 1000 kA/cm 2，LED 转换为激光，亮度超过 20 微瓦。
“将 LED 转换成激光需要很大的努力。通常，需要将 LED 耦合到谐振腔，谐振腔才能使光线反弹以产生激光。” 尼古巴赫说。“但鳍式设计可以独立完成全部工作。”微型激光器的应用也非常多，不仅在化学传感方面，而且在下一代手持式通信产品、高清显示器和消毒方面也是如此。
尼古巴赫认为：“这种全新 LED 设计作为重要的构建基块具有很大的潜力。” “虽然这不是人们制造的最小的激光器，但它是一个非常明亮的激光器，且不存在效率下降的问题，将会大有用处。”
研究结论中指出，这项发现令人鼓舞，代表了 LED 设计体系结构的重要一步，可以克服 LED 中的 “电流密度下降” 和“温度下降”效应，以最大化其每个像素可实现的输出功率。