إنتاج فعال للمرافق المتقدمةعلى الرغم من أن الطاقة فوق البنفسجية لا تمثل سوى 5 ٪ من ضوء الشمس ، إلا أنها تستخدم على نطاق واسع في حياة الإنسان. في الوقت الحاضر ، تشمل تطبيقات ضوء الأشعة فوق البنفسجية علاج الطباعة ، ومكافحة التزوير بالعملة المعدنية ، وعلاج أمراض الجلد ، وضوء نمو النبات ، والأضرار التي لحقت الهيكل الجزيئي للكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والفيروسات. لذلك ، يستخدم على نطاق واسع في تعقيم الهواء ، تنقية المياه ، وتعقيم وتطهير السطح الصلب.
يستخدم مصدر الضوء فوق البنفسجي التقليدي عمومًا الحالة المثارة لتصريف بخار الزئبق لتوليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، الذي به العديد من العيوب مثل استهلاك الطاقة المرتفع وتوليد الحرارة الكبير والعمر القصير والاستجابة البطيئة ومخاطر السلامة المحتملة. يستخدم مصدر الضوء فوق البنفسجي العميق الجديد مبدأ انبعاث ضوء الصمام الثنائي (LED) ، والذي يتميز بالعديد من المزايا على مصابيح الزئبق التقليدية. الميزة الأكثر أهمية هو أنه لا يحتوي على الزئبق السام. مع تنفيذ اتفاقية ميناماتا ، فإنه يشير إلى أن استخدام مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المحتوية على الزئبق سيتم حظره بالكامل في عام 2020. وبالتالي ، فإن كيفية تطوير مصدر جديد للضوء فوق البنفسجي صديق للبيئة وفعال أصبح تحديًا مهمًا يواجه الناس. .
أصبحت المصابيح فوق البنفسجية العميقة (DUV LEDs) القائمة على مواد أشباه الموصلات ذات فجوة عريضة (GaN ، AlGaN) هي الخيار الوحيد لهذا التطبيق الجديد. نظام مصدر الضوء ذي الحالة الصلبة هذا صغير الحجم وعالي الكفاءة وعمر افتراضي طويل. مجرد شريحة بحجم غطاء الإبهام ، يمكن أن ينبعث منها ضوء الأشعة فوق البنفسجية أقوى من مصباح الزئبق. يعتمد لغز هذا بشكل أساسي على مادة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشرة في المجموعة الثالثة من نيتريدات: الإلكترونات الموجودة في شريط التوصيل والثقوب الموجودة في شريط التكافؤ ، ثم تولد الفوتونات. تعتمد طاقة الفوتون على عرض النطاق المحظور للمادة. يمكن للعلماء إدراك انبعاث أطوال موجية مختلفة عن طريق ضبط تركيبة العنصر في المركب الثلاثي مثل AlGaN. ومع ذلك ، فليس من السهل دائمًا تحقيق انبعاث الضوء عالي الكفاءة لمصابيح UV. اكتشف الباحثون أنه عند إعادة تجميع الإلكترونات والثقوب ، لا يتم توليد الفوتونات دائمًا. وتسمى هذه الكفاءة كفاءة الكم الداخلية (IQE).
اكتشفت مجموعة أبحاث Sun Haiding و Long Shibing التابعة لكلية الإلكترونيات الدقيقة ، جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ، و Guo Wei و Ye Jichun من معهد نينغبو للمواد التابع للأكاديمية الصينية للعلوم ، أنه من أجل زيادة معدل الذكاء يتم التحكم في قيمة مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية ، وهي الركيزة التي يمكن زراعتها من خلال AlGaN materials-sapphire Al2O3 بواسطة زاوية الميلا. ووجد الباحثون أنه عند زيادة زاوية الميلا للركيزة ، يتم إخماد الخلع داخل LED فوق البنفسجي بشكل كبير ، ويتم تحسين الكثافة المضيئة للجهاز بشكل كبير. عندما تصل الركيزة المشطوفة إلى 4 درجات ، تزداد شدة طيف التوهج في الجهاز بمعدل ضخم ، وقد بلغت كفاءة الكم الداخلية 90٪.
بخلاف هيكل UV LED التقليدي ، فإن سمك البئر والحاجز المحتملين في بئر الكم متعدد الطبقات (MQW) غير منتظم في الطبقة الباعثة للضوء داخل هذا الهيكل الجديد. بمساعدة المجهر الإلكتروني عالي الدقة للإرسال ، تمكن الباحثون من تحليل هياكل الآبار الكمومية على بعد بضعة نانومترات على نطاق مجهري. تشير الدراسات إلى أنه في خطوة الركيزة ، سوف تتجمع ذرات الغاليوم (Ga) ، مما يؤدي إلى تضييق نطاق طاقة موضعي ، ومع نمو الفيلم ، سوف تمتد مناطق Ga- و Al الغنية بمصابيح DUV LEDs. السطح ، والملتوية ومثنية في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، وتشكيل بنية بئر متعددة الكم ثلاثية الأبعاد.
يطلق الباحثون على هذه الظاهرة الخاصة: الفصل بين عناصر Al و Ga وتوطين الناقلات. تجدر الإشارة إلى أنه في نظام LED الأزرق المستندة إلى InGaN ، لا يمكن اختلاط In في 100٪ مع Ga ، مما يؤدي إلى وجود مناطق غنية وغنية في المادة ، مما ينتج عنه حالات محلية وتحميل مُحسّن. إعادة التركيب الإشعاعي للناقلين. ومع ذلك ، في أنظمة مواد AlGaN ، نادراً ما يشاهد الفصل بين Al و Ga. أحد أهم أهمية هذا العمل هو أن وضع نمو المادة يتم ضبطه بشكل مصطنع لتعزيز فصل الطور ، وبالتالي يحسن إلى حد كبير من الخصائص التي ينبعث منها ضوء الجهاز.
من خلال تحسين تعديل النمو الفوقي على ركيزة شطبة ذات 4 درجات ، اكتشف الباحثون بنية DUV LED المثلى. يتجاوز عمر الناقل لهذا الهيكل 1.60 نانو ثانية ، وهو أقل عمومًا من 1 نانو ثانية في الأجهزة التقليدية. لمزيد من اختبار القوة المضيئة للرقاقة ، وجد الباحثون أن قوتها المضيئة فوق البنفسجية كانت أكثر من ضعف تلك الموجودة في الأجهزة التقليدية القائمة على ركيزة مائلة 0.2 درجة. هذا دليل أكيد على أن مواد AlGaN يمكن أن تحقق فصلًا فعالًا للمرحلة وتوطين الناقل. بالإضافة إلى ذلك ، قام التجريبيون أيضًا بمحاكاة ظاهرة فصل الطور داخل آبار الكم متعددة AlGaN وتأثيرات تفاوت سمك البئر المحتمل والحاجز على الكثافة المضيئة وطول الموجة من خلال الحسابات النظرية. الحسابات النظرية في اتفاق جيد مع التجارب.
تم الانتهاء من نتائج البحث بشكل مشترك من قبل الأساتذة داي جيانجنان وتشن تشانغ تشينغ من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا ، والبروفيسور زانج زيهوي من جامعة خبي للتكنولوجيا ، والأستاذ بون أووي والأستاذ إيمان روقان من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية. يعتقد الباحثون أن هذا البحث سيوفر أفكارًا جديدة لتطوير مصادر ضوئية UV عالية الكفاءة لجميع الحالات الصلبة. هذه الفكرة لا تتطلب ركائز منقوشة باهظة الثمن أو عمليات نمو معقدة الفوقي. وبالاعتماد فقط على ضبط الزاوية المائلة للركيزة والمطابقة والتحسين لمعلمات النمو الفوقي ، من المتوقع أن يتم تحسين الخصائص المضيئة لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية إلى مستوى مماثل لمستوى المصابيح الزرقاء ، مع إجراء اختبار للتطبيقات واسعة النطاق لمصابيح LED UV ذات الطاقة العالية والأساس النظري. النتائج ذات الصلة تحمل عنوان "التلألؤ فوق البنفسجي المحسن بشكل لا لبس فيه لهياكل الآبار الكمومية الممزوجة من AlGaN التي تم تطويرها على الركيزة الضالة الضالة الكبيرة" ونشرت عبر الإنترنت في Advanced Advanced Function Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).