Přestože ultrafialová energie představuje pouze 5% slunečního světla, je v lidském životě široce využívána. V současné době aplikace UV světla zahrnují tiskové vytvrzování, anti-padělání mincí, léčbu kožních chorob, růst rostlinného světla a poškození molekulární struktury mikroorganismů, jako jsou bakterie a viry. Proto se široce používá při sterilizaci vzduchu, čištění vody a sterilizaci a dezinfekci na pevném povrchu.
Tradiční zdroj ultrafialového světla obecně používá excitovaný stav výboje rtuti k vytvoření ultrafialového světla, které má mnoho defektů, jako je vysoká spotřeba energie, velká tvorba tepla, krátká životnost, pomalá odezva a potenciální bezpečnostní rizika. Nový hluboký ultrafialový světelný zdroj využívá princip světla emitující diody (LED), který má oproti tradičním rtuťovým žárovkám mnoho výhod. Nejdůležitější výhodou je, že neobsahuje toxickou rtuť. Při provádění Minamatské úmluvy to naznačuje, že používání ultrafialových lamp obsahujících rtuť bude v roce 2020 zcela zakázáno. Jak se tedy vyvinout nový ekologický a účinný zdroj ultrafialového světla stal důležitou výzvou pro lidi. .
Hluboké ultrafialové LED (DUV LED) založené na širokopásmových polovodičových materiálech (GaN, AlGaN) se staly jedinou volbou pro tuto novou aplikaci. Tento systém zdroje světla v pevné fázi má malou velikost, vysokou účinnost a dlouhou životnost. Pouhý čip o velikosti krytu palce může vyzařovat ultrafialové světlo, které je silnější než rtuťová lampa. Toto tajemství závisí hlavně na přímém pásmovém polovodičovém materiálu nitridů skupiny III: elektrony ve vodivém pásmu a díry ve valenčním pásmu se rekombinují, čímž se generují fotony. Energie fotonu závisí na zakázané šířce pásu materiálu. Vědci mohou přesně realizovat emise různých vlnových délek úpravou složení prvku v ternární směsi, jako je AlGaN. Není však vždy snadné dosáhnout vysoce účinné emise světla UV LED. Vědci objevili, že když se elektrony a díry rekombinují, fotony nejsou vždy generovány. Tato účinnost se nazývá interní kvantová účinnost (IQE).
Výzkumná skupina Sun Haiding a Long Shibing School of Microelectronics, University of Science and Technology v Číně a Guo Wei a Ye Jichun z Ningbo Institute of Material Čínské akademie věd objevili, že za účelem zvýšení IQE hodnota UV LED, substrát, který lze pěstovat pomocí materiálů AlGaN - safír Al2O3, je řízen úhlem zkosení. Vědci zjistili, že když se zvětšuje úhel zkosení substrátu, jsou dislokace uvnitř UV LED výrazně potlačeny a intenzita světla zařízení je výrazně zlepšena. Když zkosený substrát dosáhne 4 stupňů, intenzita fluorescenčního spektra zařízení se zvýší o řádovou velikost a vnitřní kvantová účinnost dosáhla rekordních 90%.
Na rozdíl od tradiční struktury UV LED není tloušťka potenciální jímky a bariéry ve vícevrstvé kvantové jímce (MQW) ve vrstvě emitující světlo uvnitř této nové struktury jednotná. S pomocí transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením byli vědci schopni analyzovat struktury kvantových vrtů na mikroskopu v několika nanometrech. Studie ukazují, že v kroku substrátu se budou atomy galia (Ga) agregovat, což má za následek zúžení lokalizovaného energetického pásma, a jak film roste, oblasti bohaté na Ga- a Al se rozšíří na DUV LED. Povrch, zkroucený a ohnutý v trojrozměrném prostoru, vytvářející trojrozměrnou vícedimenzionální strukturu vrtů.
Vědci nazývají tento zvláštní jev: fázové oddělení prvků Al a Ga a lokalizaci nosičů. Je třeba zdůraznit, že v modrém LED systému založeném na InGaN není In 100% mísitelný s Ga, což má za následek regiony bohaté na In a Ga, což má za následek místní stavy a podporované zatížení. Radiační rekombinace nosičů. Avšak v materiálových systémech AlGaN je zřídka vidět fázová separace Al a Ga. Jedním z důležitých významů této práce je to, že způsob růstu materiálu je uměle upraven tak, aby podporoval separaci fází, a tak výrazně zlepšil charakteristiky zařízení emitující světlo.
Optimalizací nastavení epitaxního růstu na 4-stupňovém zkoseném substrátu vědci prozkoumali optimální strukturu DUV LED. Životnost nosiče této struktury přesahuje 1,60 ns, což je u tradičních zařízení obecně méně než 1ns. Vědci dále testovali svítivost čipu a zjistili, že jeho ultrafialová svítivost byla více než dvojnásobná oproti tradičním zařízením založeným na zkoseném substrátu 0,2 stupně. To je jistější důkaz, že materiály AlGaN mohou dosáhnout účinné separace fází a lokalizace nosiče. Experti také simulovali jev fázového oddělení uvnitř AlGaN mnohočetných kvantových studní a účinky nerovnosti potenciální studny a tloušťky bariéry na světelnou intenzitu a vlnovou délku pomocí teoretických výpočtů. Teoretické výpočty jsou v souladu s experimenty.
Výsledky výzkumu společně dokončili profesoři Dai Jiangnan a Chen Changqing z Huazhong University of Science and Technology, profesor Zhang Zihui z Hebei University of Technology a profesor Boon Ooi a profesor Iman Roqan z King of Abdullah University of Science and Technology. Vědci se domnívají, že tento výzkum přinese nové nápady pro vývoj vysoce účinných UV zdrojů světla v pevné fázi. Tato myšlenka nevyžaduje drahé vzorované substráty ani komplikované procesy epitaxního růstu. A spoléháme-li se pouze na přizpůsobení úhlu zkosení substrátu a přizpůsobení a optimalizaci epitaxních růstových parametrů, očekává se, že světelné charakteristiky UV LED se zlepší na úroveň srovnatelnou s úrovní modrých LED, čímž se stanoví test pro rozsáhlé aplikace vysoce výkonných hlubokých UV LED a teoretický základ. Související výsledky jsou nazvány „Jednoznačně vylepšená ultrafialová luminiscence AlGaN vlnité kvantové struktury vrstev pěstovaných na velkých dezorientovaných safírových substrátech“ a zveřejněna online na stránkách Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).