繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個地方，也照亮著我們的生活。在新冠肺炎疫情防控期間，眾多新技術的廣泛應用使得防疫工作效率大為提高。居家隔離的群眾可以隨時通過手機查看疫情動態(tài)、疫情地圖，無法及時返回工作崗位的人可以在線遠程辦公，無人駕駛的快遞車能及時運送貨物，武漢火神山、雷神山?？漆t(yī)院的建設更離不開強大的技術支撐……而在LED行業(yè)，新技術也是層出不窮。

一滴雨能點亮100個LED燈泡?

已經(jīng)有許多利用雨水發(fā)電的嘗試，但這可能是更有效的解決方案之一。

據(jù)香港城市大學官網(wǎng)近日報道，該校研究團隊開發(fā)出新型水滴發(fā)電機(DEG)，其瞬時功率密度較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。

它設有類似場效應晶體管(FET)的結(jié)構(gòu)，使其瞬時功率密度較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機(無類似場效應晶體管結(jié)構(gòu))增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。這項突破性成果有助推動水能發(fā)電的科學研究以及應對能源危機。

這項研究由香港城市大學機械工程系王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始主任、首席科學家王中林院士共同領導。研究成果發(fā)表在*新一期的國際權(quán)威學術期刊《自然(Nature)》上。

為了提升電能轉(zhuǎn)化效率，研究團隊花費了兩年時間開發(fā) DEG。其瞬時功率密度可以達到 50.1 W/m2，比沒有使用類似 FET 設計的其他類似裝置高數(shù)千倍，并且能量轉(zhuǎn)化效率顯著提升。

香港城市大學的王教授指出，這項發(fā)明有兩個關鍵因素。第*，團隊發(fā)現(xiàn)，水滴持續(xù)撞擊一種帶有準永久電荷的駐極體材料聚四氟乙烯(PTFE)，為高密度表面電荷的累積和存儲提供了一種新方法。他們發(fā)現(xiàn)，當水滴持續(xù)撞擊 PTFE 表面時，生成的表面電荷累積并逐漸達到飽和。這項新發(fā)現(xiàn)有助于克服之前研究中遇到的低電荷密度的瓶頸。

這項研究的另一個關鍵特征就是一套類似 FET 的獨特結(jié)構(gòu)。FET 是一項于1956年獲得諾貝爾物理學獎的創(chuàng)新，如今已經(jīng)變成了構(gòu)成現(xiàn)代電子器件的基本單元。該裝置由一個鋁電極和一個 PTFE 薄膜沉積在其上的氧化銦錫(ITO)電極組成。PTFE/ITO 電極負責電荷的生成、存儲和感應。當一滴水落到 PTFE/ITO 電極表面上并擴散開來時，“接通”了鋁電極和 PTFE/ITO 電極，將原始的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個閉環(huán)電路。

下圖a為水滴發(fā)電機的原理示意圖：氧化銦錫(ITO)玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯(PTFE)，并在上面放置鋁電極。當水滴撞擊玻璃片表面時，充當晶體管的柵極，就“接通”了電路。下圖b為四個并排的水滴發(fā)電機裝置。

(圖片來源：香港城市大學)

通過這種特殊的設計，持續(xù)的水滴撞擊使 PTFE 上積存了密度很高的表面電荷。與此同時，當水滴擴散開來“接通”兩個電極時，所有積存在 PTFE 上的電荷全部都被釋放，產(chǎn)生了電流。因此，瞬時功率密度和能量轉(zhuǎn)化效率都會大幅提升。

王教授表示：“我們的研究表明，100微升(1微升等于百萬分之一升)的水滴從15厘米的高度落下，可以產(chǎn)生超過140V的電壓。生成的電力足以點亮100盞小LED燈?！?

(圖片來源：香港城市大學)

他補充道，瞬時功率密度的提升并不是由額外的能量引起的，而是由水本身的動能轉(zhuǎn)化引起的?！跋侣涞乃嗡鶢可娴膭幽苁怯芍亓σ鸬?，可以被認為是免費以及可再生的。它應該得到更好利用?！?

他們的研究也表明，相對濕度的降低不會影響發(fā)電效率。此外，雨水和海水都可以用于發(fā)電。長遠來說，這項新設計可以應用和安裝到液體與固體接觸的不同表面上，例如輪船船體面、海岸線、雨傘表面甚至是水瓶內(nèi)，這樣就能充分利用低頻的水動能。(來源于微信公眾號“IntelligentThings”)

LED能充當激光器?

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家已將精心設計的膠體量子點結(jié)合到一種新型LED中，該新型LED包含集成的光學諧振器，從而使LED能夠充當激光器。

研究人員展示了一種可操作的LED，該LED還可以用作光抽運的低閾值激光器。為了實現(xiàn)這些目標，他們將光諧振器直接集成到LED架構(gòu)中，而不會阻礙電荷載流子流入量子點發(fā)射層。

通過仔細設計其多層器件的結(jié)構(gòu)，研究人員將發(fā)射光限制在跨度為50 nm的超薄量子點介質(zhì)內(nèi)。這是獲得激光效果并同時允許電流有效激發(fā)量子點的關鍵。

最后一個成分是可用于激光應用的、獨特的量子點。Los Alamos團隊根據(jù)多年來對這些納米結(jié)構(gòu)化學和物理的研究開發(fā)了這種量子點配方。

據(jù)研究人員稱，這些雙重功能的設備為多功能、易于制造的激光二極管掃清了道路。該技術可能會改變從光子學和光電子學到化學傳感和醫(yī)學診斷的眾多領域。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室量子點小組負責人Victor Klimov表示：“這項*新突破以及我們在量子點化學和器件工程領域取得的其他*新進展表明，由溶液組裝而成的激光二極管可能很快成為現(xiàn)實?！绷孔狱c顯示器和電視機已經(jīng)可以作為商業(yè)產(chǎn)品使用。膠體量子點激光器似乎排在下一個?！?

膠體半導體量子點為制作集成的無機半導體電子和光電子器件提供了機會。現(xiàn)代半導體激光二極管需要復雜的、基于真空的逐層沉積技術制造。而膠體量子點激光器可以在條件不那么苛刻的實驗室和工廠生產(chǎn)。

除了簡化制造流程，降低生產(chǎn)成本，膠體量子點技術有利于拓展激光技術應用的領域，包括集成光子電路、光學電路、芯片上的實驗室平臺和可穿戴設備。

在過去的二十年中，洛斯阿拉莫斯量子點團隊一直致力于基于通過膠體化學制備的半導體納米晶體的激光器件的基礎和應用方面研究。這些粒子(也稱為膠體量子點)可以很容易地從其本機溶液環(huán)境中進行加工出來，以創(chuàng)建各種光學、電子和光電設備。此外，它們可以針對激光應用進行“尺寸調(diào)整”，以產(chǎn)生現(xiàn)有半導體激光二極管無法獲得的顏色。

目前，洛斯阿拉莫斯州的科學家正在應對尚存的挑戰(zhàn)，這是將電流密度提高到足以獲得所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的水平，即量子點活性介質(zhì)變成光放大器時的狀態(tài)。(轉(zhuǎn)載：中國光學期刊網(wǎng))

鈣鈦礦LED中光子回收效應

最近，劍橋大學與浙江大學的研究團隊，在Nature Communications合作發(fā)表了題為“The role of photon recycling in perovskite light-emitting diodes”的論文，研究了高效率鈣鈦礦發(fā)光二極管(鈣鈦礦LED)中光子回收效應的影響，為器件發(fā)光效率的進一步提升提供了思路。劍橋大學的Changsoon Cho博士是論文的第*作者，劍橋大學的Neil Greenham教授、Felix Deschler博士與浙江大學光電學院的狄大衛(wèi)研究員是論文的通訊作者。

讓大部分的光子從平面型LED中發(fā)射出來并非易事。造成這個問題的最主要因素是LED材料與空氣的折射率存在差異 ，因此一般情況下只有一小部分光才能直接逃逸;其余的光因為全反射作用，大多被限制在LED器件中并最終以熱的形式耗散。材料的折射率越高，這個問題就愈加嚴重，因此一般而言只有20%左右的光能夠從LED的表面輻射出來。

造成80%的光損耗顯然是不利的，LED領域的研究人員為了避免這種情況，采用了各種方法。例如，在有機LED中，一種用來提高出光效率的方式是控制發(fā)光分子的位置和取向。另一個比較常見的方法是在器件中引入微納結(jié)構(gòu)，造成光的散射以利于提取光子。當然，這些提升一般都是特殊光學設計的結(jié)果。然而有一種新的LED技術，它在沒有刻意優(yōu)化光學設計的情況下就產(chǎn)生了高效率，這可以說是出人意料的。

這種新型技術就是鈣鈦礦LED，它與鈣鈦礦太陽能電池一樣，也逐漸成為了學界關注的熱點。鈣鈦礦LED領域的研究人員(包括作者團隊)，僅用了短短4年的時間，就將器件的外量子效率從低于1%提高到了20%以上。其中一部分研究組的高效率結(jié)果，只能用出光率的提升來解釋。而這種提升，究竟是由于器件的光學結(jié)構(gòu)特殊，導致光更容易從正面出射，還是因為鈣鈦礦本身的一些特殊的性質(zhì)，幫助光子從器件里逃脫?

論文作者的研究表明，光子回收效應在出光過程中扮演了重要的角色。這種效應背后的原理很簡單：在器件中沿側(cè)向傳播(波導模式)的熒光被鈣鈦礦發(fā)光材料重新吸收，而這些原本應被耗散的能量，通過輻射復合，有了再一次產(chǎn)生光子的機會。由于重新產(chǎn)生的光子的輻射方向是隨機的(有可能避開導致全反射的角度)，因此它又獲得了一定的概率從器件中逃逸。第*次沒有成功逃逸的光子，還能夠再一次被鈣鈦礦吸收并發(fā)射，如此循環(huán)，因而被“回收利用”。與有機半導體不同，鈣鈦礦半導體的發(fā)光譜與吸收譜一般有著較顯著的重疊，因此在一些新型鈣鈦礦LED材料中，由于鈣鈦礦材料自身的發(fā)光效率足夠高，理論上有30%-70%的電致發(fā)光可能是由光子回收貢獻的。

在未來的研究中，如果能夠進一步減少鈣鈦礦LED器件中電極材料的吸收，將出光率以及外量子效率提高到接近100%也將成為可能.以上就是LED技術的相關知識，相信隨著科學技術的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會由很大的提升，為我們帶來更大便利。