Embora a energia ultravioleta represente apenas 5% da luz solar, ela é amplamente utilizada na vida humana. Atualmente, as aplicações de luz UV incluem cura de impressão, anti-falsificação de moedas, tratamento de doenças de pele, luz de crescimento de plantas e danos à estrutura molecular de microorganismos, como bactérias e vírus. Portanto, é amplamente utilizado em esterilização a ar, purificação de água e esterilização e desinfecção de superfícies sólidas.
A fonte de luz ultravioleta tradicional geralmente usa o estado excitado de descarga de vapor de mercúrio para gerar luz ultravioleta, que possui muitos defeitos, como alto consumo de energia, grande geração de calor, vida útil curta, resposta lenta e possíveis riscos à segurança. A nova fonte de luz ultravioleta profunda utiliza o princípio de emissão de luz do diodo emissor de luz (LED), que tem muitas vantagens sobre as lâmpadas de mercúrio tradicionais. A vantagem mais importante é que ele não contém mercúrio tóxico. Com a implementação da Convenção de Minamata, indica que o uso de lâmpadas ultravioletas contendo mercúrio será completamente proibido em 2020. Portanto, como desenvolver uma nova fonte de luz ultravioleta eficiente e ecológica se tornou um importante desafio para as pessoas. .
LEDs ultravioleta profundos (LEDs DUV) baseados em materiais semicondutores de banda larga (GaN, AlGaN) tornaram-se a única opção para esta nova aplicação. Esse sistema de fonte de luz de estado sólido é pequeno em tamanho, alto em eficiência e com vida útil longa. Apenas um chip do tamanho de uma capa de polegar, ele pode emitir luz ultravioleta que é mais forte que uma lâmpada de mercúrio. O mistério disso depende principalmente do material semicondutor de gap de banda direta dos nitretos do grupo III: os elétrons na banda de condução e os orifícios na banda de valência se recombinam, gerando fótons. A energia do fóton depende da largura da banda proibida do material. Os cientistas podem perceber com precisão a emissão de diferentes comprimentos de onda ajustando a composição do elemento no composto ternário, como AlGaN. No entanto, nem sempre é fácil obter uma emissão de luz de alta eficiência de LEDs UV. Os pesquisadores descobriram que, quando elétrons e buracos se recombinam, os fótons nem sempre são gerados. Essa eficiência é chamada de eficiência quântica interna (IQE).
O grupo de pesquisa Sun Haiding and Long Shibing da Escola de Microeletrônica da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e Guo Wei e Ye Jichun do Instituto de Materiais Ningbo da Academia Chinesa de Ciências descobriram que, para aumentar o IQE O valor dos LEDs UV, um substrato que pode ser cultivado através de materiais AlGaN - safira Al2O3 é controlado pelo ângulo de chanfro. Os pesquisadores descobriram que quando o ângulo de chanfro do substrato é aumentado, as deslocações no interior do LED UV são significativamente suprimidas e a intensidade luminosa do dispositivo é significativamente aprimorada. Quando o substrato chanfrado atinge 4 graus, a intensidade do espectro de fluorescência do dispositivo é aumentada em uma ordem de magnitude e a eficiência quântica interna atinge 90% de um recorde.
Diferente da estrutura tradicional de LED UV, a espessura do poço potencial e da barreira no poço quântico multicamada (MQW) não é uniforme na camada emissora de luz dentro dessa nova estrutura. Com a ajuda da microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, os pesquisadores foram capazes de analisar estruturas quânticas de poços em apenas alguns nanômetros em escala microscópica. Estudos mostram que, na etapa do substrato, os átomos de gálio (Ga) se agregam, o que resulta em um estreitamento da banda de energia localizada e, à medida que o filme cresce, as regiões ricas em Ga e Al se estendem aos LEDs de DUV. Superfície, torcida e dobrada no espaço tridimensional, formando uma estrutura tridimensional de poço multi-quântico.
Os pesquisadores chamam esse fenômeno especial: a separação de fases dos elementos Al e Ga e a localização dos portadores. Vale ressaltar que, no sistema de LED azul baseado em InGaN, o In não é 100% miscível com o Ga, resultando em regiões rica em In e Ga no material, o que resulta em estados locais e promove o carregamento. Recombinação radiativa de portadores. No entanto, nos sistemas de materiais AlGaN, a separação de fases de Al e Ga é raramente vista. Um dos significados importantes deste trabalho é que o modo de crescimento do material é artificialmente ajustado para promover a separação de fases e, assim, melhorar significativamente as características de emissão de luz do dispositivo.
Ao otimizar o ajuste do crescimento epitaxial em um substrato chanfrado de 4 graus, os pesquisadores exploraram uma estrutura ideal de LED DUV. A vida útil da transportadora dessa estrutura excede 1,60 ns, que geralmente é menor que 1ns em dispositivos tradicionais. Testando ainda mais a potência luminosa do chip, os pesquisadores descobriram que sua potência luminosa ultravioleta era mais do que o dobro dos dispositivos tradicionais baseados em um substrato chanfrado de 0,2 graus. Essa é uma prova mais certa de que os materiais AlGaN podem obter separação de fase eficaz e localização do transportador. Além disso, os experimentalistas também simularam o fenômeno da separação de fases dentro dos poços quânticos múltiplos AlGaN e os efeitos da irregularidade do poço potencial e da espessura da barreira na intensidade luminosa e no comprimento de onda por meio de cálculos teóricos. Os cálculos teóricos estão de acordo com os experimentos.
Os resultados da pesquisa foram concluídos em conjunto pelos professores Dai Jiangnan e Chen Changqing, da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong, pelo professor Zhang Zihui, da Universidade de Tecnologia de Hebei, e pelo professor Boon Ooi e pelo professor Iman Roqan, da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah. Os pesquisadores acreditam que essa pesquisa fornecerá novas idéias para o desenvolvimento de fontes de luz UV de estado sólido altamente eficientes. Essa idéia não requer substratos padronizados caros ou processos complicados de crescimento epitaxial. E confiando apenas no ajuste do ângulo de chanfro do substrato e na correspondência e otimização dos parâmetros de crescimento epitaxial, espera-se que as características luminosas dos LEDs UV sejam melhoradas para um nível comparável ao dos LEDs azuis, testando para aplicações em larga escala de LEDs UV profundos de alta potência E base teórica. Os resultados relacionados são intitulados "Luminescência ultravioleta inequivocamente aprimorada de estruturas de poços quânticos ondulados AlGaN crescidos em substrato de safira grande e com orientação sensorial" e publicados on-line em Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).