LED的一些硬核技术

繁华的城市离不开LED灯的装饰，相信大家都见过LED，它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方，也照亮着我们的生活。在新冠肺炎疫情防控期间，众多新技术的广泛应用使得防疫工作效率大为提高。居家隔离的群众可以随时通过手机查看疫情动态、疫情地图，无法及时返回工作岗位的人可以在线远程办公，无人驾驶的快递车能及时运送货物，武汉火神山、雷神山专科医院的建设更离不开强大的技术支撑……而在LED行业，新技术也是层出不穷。

一滴雨能点亮100个LED灯泡?

已经有许多利用雨水发电的尝试，但这可能是更有效的解决方案之一。

据香港城市大学官网近日报道，该校研究团队开发出新型水滴发电机(DEG)，其瞬时功率密度较现时类似的水滴发电机增加数以千倍，并大大提升了电能转化效率。

它设有类似场效应晶体管(FET)的结构，使其瞬时功率密度较现时类似的水滴发电机(无类似场效应晶体管结构)增加数以千倍，并大大提升了电能转化效率。这项突破性成果有助推动水能发电的科学研究以及应对能源危机。

这项研究由香港城市大学机械工程系王钻开教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾晓成教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始主任、首席科学家王中林院士共同领导。研究成果发表在*新一期的国际权威学术期刊《自然(Nature)》上。

为了提升电能转化效率，研究团队花费了两年时间开发 DEG。其瞬时功率密度可以达到 50.1 W/m2，比没有使用类似 FET 设计的其他类似装置高数千倍，并且能量转化效率显著提升。

香港城市大学的王教授指出，这项发明有两个关键因素。第*，团队发现，水滴持续撞击一种带有准永久电荷的驻极体材料聚四氟乙烯(PTFE)，为高密度表面电荷的累积和存储提供了一种新方法。他们发现，当水滴持续撞击 PTFE 表面时，生成的表面电荷累积并逐渐达到饱和。这项新发现有助于克服之前研究中遇到的低电荷密度的瓶颈。

这项研究的另一个关键特征就是一套类似 FET 的独特结构。FET 是一项于1956年获得诺贝尔物理学奖的创新，如今已经变成了构成现代电子器件的基本单元。该装置由一个铝电极和一个 PTFE 薄膜沉积在其上的氧化铟锡(ITO)电极组成。PTFE/ITO 电极负责电荷的生成、存储和感应。当一滴水落到 PTFE/ITO 电极表面上并扩散开来时，“接通”了铝电极和 PTFE/ITO 电极，将原始的系统转化成一个闭环电路。

下图a为水滴发电机的原理示意图：氧化铟锡(ITO)玻璃片上加上了一层聚四氟乙烯(PTFE)，并在上面放置铝电极。当水滴撞击玻璃片表面时，充当晶体管的栅极，就“接通”了电路。下图b为四个并排的水滴发电机装置。

(图片来源：香港城市大学)

通过这种特殊的设计，持续的水滴撞击使 PTFE 上积存了密度很高的表面电荷。与此同时，当水滴扩散开来“接通”两个电极时，所有积存在 PTFE 上的电荷全部都被释放，产生了电流。因此，瞬时功率密度和能量转化效率都会大幅提升。

王教授表示：“我们的研究表明，100微升(1微升等于百万分之一升)的水滴从15厘米的高度落下，可以产生超过140V的电压。生成的电力足以点亮100盏小LED灯。”

(图片来源：香港城市大学)

他补充道，瞬时功率密度的提升并不是由额外的能量引起的，而是由水本身的动能转化引起的。“下落的水滴所牵涉的动能是由重力引起的，可以被认为是免费以及可再生的。它应该得到更好利用。”

他们的研究也表明，相对湿度的降低不会影响发电效率。此外，雨水和海水都可以用于发电。长远来说，这项新设计可以应用和安装到液体与固体接触的不同表面上，例如轮船船体面、海岸线、雨伞表面甚至是水瓶内，这样就能充分利用低频的水动能。(来源于微信公众号“IntelligentThings”)

LED能充当激光器?

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家已将精心设计的胶体量子点结合到一种新型LED中，该新型LED包含集成的光学谐振器，从而使LED能够充当激光器。

研究人员展示了一种可操作的LED，该LED还可以用作光抽运的低阈值激光器。为了实现这些目标，他们将光谐振器直接集成到LED架构中，而不会阻碍电荷载流子流入量子点发射层。

通过仔细设计其多层器件的结构，研究人员将发射光限制在跨度为50 nm的超薄量子点介质内。这是获得激光效果并同时允许电流有效激发量子点的关键。

最后一个成分是可用于激光应用的、独特的量子点。Los Alamos团队根据多年来对这些纳米结构化学和物理的研究开发了这种量子点配方。

据研究人员称，这些双重功能的设备为多功能、易于制造的激光二极管扫清了道路。该技术可能会改变从光子学和光电子学到化学传感和医学诊断的众多领域。

洛斯阿拉莫斯国家实验室量子点小组负责人Victor Klimov表示：“这项*新突破以及我们在量子点化学和器件工程领域取得的其他*新进展表明，由溶液组装而成的激光二极管可能很快成为现实。”量子点显示器和电视机已经可以作为商业产品使用。胶体量子点激光器似乎排在下一个。”

胶体半导体量子点为制作集成的无机半导体电子和光电子器件提供了机会。现代半导体激光二极管需要复杂的、基于真空的逐层沉积技术制造。而胶体量子点激光器可以在条件不那么苛刻的实验室和工厂生产。

除了简化制造流程，降低生产成本，胶体量子点技术有利于拓展激光技术应用的领域，包括集成光子电路、光学电路、芯片上的实验室平台和可穿戴设备。

在过去的二十年中，洛斯阿拉莫斯量子点团队一直致力于基于通过胶体化学制备的半导体纳米晶体的激光器件的基础和应用方面研究。这些粒子(也称为胶体量子点)可以很容易地从其本机溶液环境中进行加工出来，以创建各种光学、电子和光电设备。此外，它们可以针对激光应用进行“尺寸调整”，以产生现有半导体激光二极管无法获得的颜色。

目前，洛斯阿拉莫斯州的科学家正在应对尚存的挑战，这是将电流密度提高到足以获得所谓的粒子数反转的水平，即量子点活性介质变成光放大器时的状态。(转载：中国光学期刊网)

钙钛矿LED中光子回收效应

最近，剑桥大学与浙江大学的研究团队，在Nature Communications合作发表了题为“The role of photon recycling in perovskite light-emitting diodes”的论文，研究了高效率钙钛矿发光二极管(钙钛矿LED)中光子回收效应的影响，为器件发光效率的进一步提升提供了思路。剑桥大学的Changsoon Cho博士是论文的第*作者，剑桥大学的Neil Greenham教授、Felix Deschler博士与浙江大学光电学院的狄大卫研究员是论文的通讯作者。

让大部分的光子从平面型LED中发射出来并非易事。造成这个问题的最主要因素是LED材料与空气的折射率存在差异 ，因此一般情况下只有一小部分光才能直接逃逸;其余的光因为全反射作用，大多被限制在LED器件中并最终以热的形式耗散。材料的折射率越高，这个问题就愈加严重，因此一般而言只有20%左右的光能够从LED的表面辐射出来。

造成80%的光损耗显然是不利的，LED领域的研究人员为了避免这种情况，采用了各种方法。例如，在有机LED中，一种用来提高出光效率的方式是控制发光分子的位置和取向。另一个比较常见的方法是在器件中引入微纳结构，造成光的散射以利于提取光子。当然，这些提升一般都是特殊光学设计的结果。然而有一种新的LED技术，它在没有刻意优化光学设计的情况下就产生了高效率，这可以说是出人意料的。

这种新型技术就是钙钛矿LED，它与钙钛矿太阳能电池一样，也逐渐成为了学界关注的热点。钙钛矿LED领域的研究人员(包括作者团队)，仅用了短短4年的时间，就将器件的外量子效率从低于1%提高到了20%以上。其中一部分研究组的高效率结果，只能用出光率的提升来解释。而这种提升，究竟是由于器件的光学结构特殊，导致光更容易从正面出射，还是因为钙钛矿本身的一些特殊的性质，帮助光子从器件里逃脱?

论文作者的研究表明，光子回收效应在出光过程中扮演了重要的角色。这种效应背后的原理很简单：在器件中沿侧向传播(波导模式)的荧光被钙钛矿发光材料重新吸收，而这些原本应被耗散的能量，通过辐射复合，有了再一次产生光子的机会。由于重新产生的光子的辐射方向是随机的(有可能避开导致全反射的角度)，因此它又获得了一定的概率从器件中逃逸。第*次没有成功逃逸的光子，还能够再一次被钙钛矿吸收并发射，如此循环，因而被“回收利用”。与有机半导体不同，钙钛矿半导体的发光谱与吸收谱一般有着较显著的重叠，因此在一些新型钙钛矿LED材料中，由于钙钛矿材料自身的发光效率足够高，理论上有30%-70%的电致发光可能是由光子回收贡献的。

在未来的研究中，如果能够进一步减少钙钛矿LED器件中电极材料的吸收，将出光率以及外量子效率提高到接近100%也将成为可能.以上就是LED技术的相关知识，相信随着科学技术的发展，未来的LED灯回越来越高效，使用寿命也会由很大的提升，为我们带来更大便利。