발광 다이오드 (LED)는 전통적으로 효율성을 최적화하기 위해 원자적인 완벽함을 요구한다. 구조가 10 억분의 1 미터에 이르는 나노 스케일에서는 결함까지 완벽히 피해야 한다.
미국 에너지 부 (DOE) 브룩하벤 (Brookhaven) 국립 연구소와 스토니 브룩 대학 (Stony Brook University)의 과학자 연구팀은 미묘한 불완전성으로 인해 특정 LED 물질의 효율 및 자외선 (UV) 광 출력이 크게 증가할 수 있음을 발견했다.
산화 아연 나노 와이어 표면의 산소 결핍으로 밝혀진 거의 인지할 수 없는 결점은 실제로 성능을 향상시킨다.
최근 어플라이드 피직스 레터스 (Applied Physics Letters)에 온라인으로 게재된 이 결과는 의료용 센서, 촉매 및 가정용 조명과 같은 실용적인 응용 분야에서 이러한 산화 아연 구조를 자외선 공급원으로 사용할 수 있다는 것을 보여준다.
현재 자외선에 대한 LED 표준은 질화 갈륨이며, 기능은 훌륭하지만 비싸고 친환경적이지 않다. 이 '불완전한' 산화 아연은 이러한 문제를 극복해 줄 것이다.
합성으로부터 복잡한 특성화에 이르기까지 재료를 탐구할 수 있는 능력이 브룩하벤 연구소의 독특한 장점이다. 산화 아연 나노 와이어 방출 효율의 문제는 새로운 장비가 NSLS-II에서 장비가 운영될 때만 해결 될 수 있다.
고성능 LED는 반도체 물질에서 발견되는 근 밴드 엣지 (NBE : near band edge)라고 불리는 현상을 이용한다.
전도대의 전자가 원자가의 구멍과 재결합하여 소위 밴드 갭의 가장자리를 횡단할 때 그들은 빛을 방출할 수 있다. 그 효과를 최적화, 특히 자외선 방사를 위한 것이 연구팀의 주 목표였다.
과학자들은 산화 아연 결정으로 이루어진 나노 와이어를 성장시키기 위해 상대적으로 간단한 저온 용액 기반 접근법을 사용했다. 그들은 최종 나노 와이어 구조를 세척하기 위해 산소 플라즈마를 가했다.
한 번의 테스트에서 우연히 평소보다 훨씬 낮은 압력에서 이 플라즈마 단계를 실행했으며 그 결과는 우연적이고 충격적이었다. 그 저압 플라즈마 처리는 여기 실제적인 게임 체인저이다.
예상치 못한 NBE 방출은 과학자들을 오랫동안 의아하게 만들었지만 조사 도구는 마침내 수수께끼를 밝힐 만큼 충분히 발전했다.
돌파구의 핵심은 NSLS-II에서 두 개의 빔 라인 사이의 강력한 시너지 효과를 통해 이루어졌다. 세계에서 가장 강렬한 X 선 흡수원의 빔 라인 8-ID-1에서 얻은 데이터와 최신 x-선 광전자 전자 현미경 (XPEEM) 종단점의 첫 번째 결과가 결합된 데이터 빔 라인 21-ID-2. XPEEM 엔드 스테이션은 CFN과 NSLS-II 간의 협력 관계로 운영된다.
Beamline 8-ID는 X 선 흡수량을 나타냈으며, 이는 샘플의 산화 상태를 추론하는 데 사용되었다. 빔 라인 21-ID-2에서의 측정은 샘플을 밴드 여기에 따라 전자를 방출하고 광자를 방출하는 엑스레이로 충격을 가하는 작업을 보완한다. 이러한 에너지를 분석함으로써, 밴드 위치와 발광에서의 역할을 고정밀도로 결정할 수 있다.
표면 산소 결함이 전하 캐리어를 나노 와이어 코어에 한정시키는 쌍극자를 생성한다는 것을 발견했다. 이 결함은 매우 효율적이고 순수한 광 방출을 유도하는 것으로 보이며, 연구팀은 산화 아연 구조를 정확히 구별하기 때문에 이를 구축하고 유사한 물질을 탐구하는 방법을 알고있다.
새로운 합성 기술은 광촉매에 이상적일 수 있는 고품질의 산화 티탄 층과 같은 추가적인 구조를 가능하게 했다. 이러한 물질은 효율적으로 수분 분리기 (water-splitter) 역할을 하여 재생 가능 에너지 기술을 위한 수소 연료를 제공할 수 있다. 미래의 실험은 이러한 가능성을 탐구하고 촉매 반응이 실시간으로 전개되는 것을 지켜볼 예정이다.
https://m.phys.org/news/2018-02-atomic-flaws-high-efficiency-uv-materials.html
