اختراع الصمام الثنائي الأزرق (الصمام الثنائي الباعث للضوء) ، والذي كان يعتبر من الصعب تحقيقه لسنوات عديدة ، أنجب تركيبات الإضاءة وشاشات الإضاءة الموفرة للطاقة وطويلة العمر ، مما غير العالم بشكل كبير. واحدة من أحدث البحوث الحدودية هو أنه يمكن أن تنتج المصابيح الأشعة فوق البنفسجية مع أطوال موجية أقصر من المصابيح الزرقاء.
10- ومن بين الأشعة فوق البنفسجية، تتمتع الأشعة فوق البنفسجية العميقة ذات الطول الموجي القصير بشكل خاص بقدرات عالية على التعقيم، ومن المتوقع أن تستخدم في المصانع ومحطات تنقية المياه (الشكل 1). تستخدم معظم المصابيح المبيدة للجراثيم الزئبق حاليا، ولكن مع دخول معاهدة ميناماتا بشأن الزئبق حيز التنفيذ في عام 2017، بدأ المجتمع الدولي العمل على الحد من استخدام الزئبق. وفي هذا السياق، يتوقع وجود مصابيح UVC الأشعة فوق البنفسجية العميقة. بدأت المنتجات التي تستخدم المصابيح الأشعة فوق البنفسجية العميقة في الذهاب إلى السوق، ولكن الكفاءة المضيئة الحالية وقوة الإنتاج غير كافية.
وقال هيراياما، الذي بدأ البحث في مصابيح الأشعة فوق البنفسجية في عام 1996، بثقة: "على الرغم من أن المنافسة على التطوير شرسة، إلا أن الأشعة فوق البنفسجية العميقة UVC LED التي طورناها حققت أعلى كفاءة مضيئة في العالم بنسبة 20.3٪. ومع ذلك، إذا أردنا تحقيق استخدام واسع النطاق، فإن الكفاءة المضيئة ستكون أنه يحتاج إلى مزيد من التحسين لتجاوز مصباح الزئبق منخفض الضغط المستخدم كمصباح مبيد للجراثيم، والهدف الحالي هو تجاوز 30٪".
الهيكل الأساسي لل LED هو تقاطع pn الذي تشكل من خلال الانضمام إلى أشباه الموصلات من النوع n مع المزيد من الإلكترونات وأشباه الموصلات من نوع P مع إلكترونات غير كافية (مع ثقوب). بعد تطبيق الجهد، تتحد الإلكترونات والثقوب لتنبعث منها الضوء، ولكن لون (الطول الموجي) للضوء والجهد اللازم لتنبعث منه الضوء يختلفان باختلاف نوع أشباه الموصلات. من أجل تطوير أشباه الموصلات التي يمكن أن تولد ضوء الطول الموجي المطلوب، وقد استكشف عدد كبير من الباحثين مواد مختلفة. وقال هيراياما: "إذا كان يمكن أن تنبعث منها الضوء فقط في المنطقة فوق البنفسجية، فإنه ليس عمليا. لأنه يحتاج أيضا إلى انبعاث الضوء بكفاءة أكبر من مصادر الضوء السابقة، ويمكن إنتاجه على نطاق واسع بتكلفة أقل". ومن المتوقع نيتريد الغاليوم الألومنيوم (AlGaN) كمادة واعدة نسبيا، ولكن هناك العديد من القضايا.
تكنولوجيا جديدة يمكن أن تولد بلورات أنيق، المصابيح تشكل تقاطعات pn عن طريق زراعة بلورات مع الذرات أمر على مادة أساسية (الركيزة). تستخدم ركيزة أشباه الموصلات الياقوت الرخيص (Al2O3) ، ولكن نظرا للفرق في المسافة (ثابت شعرية) بين الذرات التي تشكل الكريستال ، فإن بلورة AlGaN مشوهة عندما تنمو ، مما يسبب عيوبا تسمى عيوب شعرية. تسمى الشقوق التي تتوسع على طول خط العيب عيوب الكريستال. إذا زادت كثافة العيب (كثافة التفكك الخيوط) ، تنخفض الكفاءة المضيئة.
المصابيح الزرقاء تحتاج إلى تشكيل نيتريد الغاليوم (GaN) فيلم الكريستال مع عيوب أقل على الركيزة. تم تطوير التكنولوجيا لتحقيق هذا الفيلم من قبل الأستاذ الحائز على جائزة نوبل في جامعة ميجو، إيسامو أكاساكي. بالنسبة للمصابيح فوق البنفسجية العميقة ، يتم تشكيل فيلم بلوري من نيتريد الألومنيوم (AlN) على الركيزة ويزرع بلورة AlGaN عليه. إنشاء فيلم AlN عالي الجودة على الركيزة للحد من العيوب. وأشار إلى أن "هذه الطريقة حققت طفرة في تحسين الكفاءة المضيئة، متجاوزة فريق البحث الأمريكي المنافس".
يتم إنتاج بلورات AlN عن طريق ترسب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD). يتم توفير المواد الغازية إلى ركيزة الياقوت في درجة حرارة عالية من حوالي 1400 درجة لجعلها تنمو كبلورة. الطريقة التي وضعتها هيراياما ينمو أولا نيتريد الن كما الأساسية على الركيزة، وضربات غاز الأمونيا في نبض لجعله ينمو أفقيا لسد الفجوة بين النواة. ثم يتم توفير الغاز باستمرار لتكديسها عموديا. من خلال تكرار عملية نمو الكريستال هذه ، يمكن تشكيل طبقة AlN عالية الجودة بدون شقوق (الشكل 2). وقال: "لجعل بلورات أنيق، تحتاج إلى التحكم بدقة في تركيز الغاز، ومعدل التدفق ودرجة حرارة رد الفعل، وما إلى ذلك. تدفق الغاز من السهل أن تكون مضطربة في درجات حرارة عالية ويتطلب ثروة من الخبرة. ولذلك، فإن المعدات شبه ذاتية الصنع وتعديلها حسب الحاجة."
تحسين الكفاءة المضيئة من خلال العمل على الهيكل
ترتبط الكفاءة المضيئة ب 3 عوامل. الأول هو "الكفاءة الكمية الداخلية"، والثاني هو "كفاءة حقن الإلكترون"، والثالث هو "كفاءة استخراج الضوء". تعمل هيراياما بجد لتحسين هذه الكفاءات الثلاث.
الكفاءة الكمية الداخلية هي قيمة تشير إلى نسبة أزواج الإلكترون والثقب التي يولدها التيار لتنبعث منها الضوء ، وتشير إلى الدرجة التي تنبعث بها الطبقة الباعثة للضوء الضوء بسلاسة. من خلال جعل الكريستال تنمو بدقة والحد من العيوب، وقد تم تحسين كفاءة الكم الداخلية بنجاح.
تشير كفاءة حقن الإلكترون إلى نسبة الإلكترونات التي تدخل الطبقة الباعثة للضوء في التيار المحقون. الأشعة فوق البنفسجية العميقة التقليدية الأشعة فوق البنفسجية LED لديه مشكلة أن الإلكترونات المحقونة لا تدخل الطبقة الباعثة للضوء، ولكن تسرب من الجانب ف طبقة.
وجاء في المقدمة: "السبب هو أن عدد الثقوب في أشباه الموصلات من نوع P غير متوازن مع عدد الإلكترونات في أشباه الموصلات من النوع n. لأنه من الصعب زيادة عدد الثقوب ، يتم تشكيل طبقة حجب الإلكترون (حاجز الكم المتعدد) لتعكس الإلكترونات غير المنضمة التي تمر مباشرة. ، مجتمعة بشكل فعال" (الشكل 3). ونتيجة لذلك، يتم تحسين كفاءة حقن الإلكترون بشكل كبير.
الحلم هو أن تطبق على مصدر ضوء الليزر
الأشعة فوق البنفسجية العميقة الأشعة فوق البنفسجية LED التي وضعتها AlGaN أيضا مزايا في نطاق التطبيق. وأعرب بترقب: "من خلال تغيير تكوين الكريستال، يمكن تعديل الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية العميقة. هذا هو أيضا ميزة. وفي الوقت الراهن، تم تنفيذ مصابيح UVC الأشعة فوق البنفسجية العميقة في النطاق 222-351 نانومتر. يمكنك توليد بحرية الطول الموجي المطلوب وفقا للتطبيق. الأشعة فوق البنفسجية العميقة، مثل ضوء حوالي 310 نانومتر المستخدمة لعلاج التهاب الجلد التأتبي والصدفية، الخ."
هذه تقنية قيد التطوير. يجب زيادة طاقة الإخراج من عشرات الملليواط الحالية إلى بضع واط. ومن المتوقع أن تستخدم في التعقيم وتنقية المياه وتنقية الهواء والعلاج الطبي والصناعة الكيميائية الحيوية وتصلب الراتنج ومعالجته والطباعة في المستقبل. والرسم والحقول الأخرى.
وبالنظر إلى المستقبل، قال: "في المستقبل، نخطط لتطوير صمام ثنائي ليزر الأشعة فوق البنفسجية العميق (LD) الذي يمكنه تحقيق طاقة إنتاج أكبر. وإذا أمكن تحقيق ذلك، ينبغي أن يكون قادرا أيضا على تحلل وسائط التخزين ذات السعة الكبيرة والمواد الضارة التي تتجاوز قدرة أقراص بلو راي".
مساحة تطوير الأشعة فوق البنفسجية العميقة UVC LED لا تزال كبيرة جدا.
