由美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家組成的團隊開發(fā)的一種新型發(fā)光二極管(LED)可能是克服長期以來光源效率限制的關(guān)鍵。這一概念在實驗室用微型LED進行了演示，實現(xiàn)了亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力——所有這些特性都使其在大規(guī)模和小型化應(yīng)用中具有極高的價值。

該團隊還包括來自馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和IBM托馬斯·J·沃森研究中心的科學(xué)家，他們的研究發(fā)表在同行評議期刊《科學(xué)進展》上，論文中詳細介紹了他們的工作。他們的設(shè)備顯示亮度比傳統(tǒng)的亞微米大小的LED設(shè)計增加了100到1000倍。

“這是制造LED的新架構(gòu)。”NIST的Babak Nikoobakht說，他構(gòu)思了這個新設(shè)計。“我們使用與傳統(tǒng)LED相同的材料。我們的不同之處在于它們的形狀。”

LED燈已經(jīng)存在了幾十年，但明亮的LED的研發(fā)贏得了諾貝爾獎，并開啟了照明的新時代。然而，即使是現(xiàn)代的LED也有它的局限性，這讓它們的設(shè)計者感到沮喪。在一定程度上，增加LED的電量會使其發(fā)光更加明亮，但很快亮度就會降低，使得LED的效率非常低。這個被業(yè)界稱為“效率下降”的問題阻礙了LED在從通信技術(shù)到殺毒等許多有前景的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

盡管研究人員的新型LED設(shè)計克服了效率下降的問題，但研究人員最初并不是奔著解決這個問題去的。他們的主要目標是創(chuàng)造一種微型LED，用于非常小的應(yīng)用，比如NIST和其他地方的科學(xué)家正在追求的芯片上實驗室技術(shù)。

研究小組對發(fā)光的LED部分進行了全新設(shè)計的實驗:與傳統(tǒng)LED中使用的平面設(shè)計不同，研究人員用又長又薄的氧化鋅線制造了一種光源，他們稱之為鰭。(“長”和“瘦”是相對而言的:每個鰭只有大約5微米長，大約是人類平均頭發(fā)寬度的十分之一。)它們的鰭陣列看起來像一個小梳子，可以延伸到1厘米或更多的區(qū)域。

“我們在魚鰭上看到了商機，因為我認為它們細長的形狀和較大的側(cè)面可能能夠接收到更多的電流。”Nikoobakht說，“一開始，我們只是想衡量一下新設(shè)計能承受多大的壓力。我們開始增加電流，想把它燒完，但它卻越來越亮。”

研究人員的新設(shè)計能發(fā)出橫跨紫色和紫外光邊界的明亮波長，產(chǎn)生的能量是典型的小型LED的100到1000倍。Nikoobakht把這個結(jié)果描述為一個重要的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)。

他說:“一個典型的面積小于1平方微米的LED發(fā)光功率約為22納瓦，但這種LED能產(chǎn)生高達20微瓦的功率。”“這表明，這種設(shè)計可以克服led的效率下降，使光源變得更亮。”

“這是我見過的最有效的解決方案之一。”沒有參與該項目的南卡羅來納大學(xué)電子工程教授格里戈里·西敏(Grigory Simin)說。該組織多年來一直致力于提高LED的效率，而其他方法在應(yīng)用于亞微米波長LED時往往會遇到技術(shù)問題。這種方法很有效。”

在增加電流的同時，研究小組還發(fā)現(xiàn)了另一個驚人的發(fā)現(xiàn)。雖然LED起初在一個波長范圍內(nèi)發(fā)光，但它相對較寬的發(fā)射最終縮小到兩個波長的強烈紫色。簡單來說：他們的微型LED變成了微型激光器。

“將LED轉(zhuǎn)換成激光需要很大的努力。它通常需要將LED與諧振腔耦合，使光在諧振腔周圍反射，從而產(chǎn)生激光�？磥眦挼脑O(shè)計可以自己完成整個工作，而不需要增加另一個空腔。”

一個微型激光器對于芯片規(guī)模的應(yīng)用來說，不僅在化學(xué)傳感領(lǐng)域，而且在下一代手持通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面至關(guān)重要。

“它有很大潛力成為一個重要的組成部分。” Nikoobakht說，“雖然這不是人們制造的最小的激光，但它非常明亮。如果效率沒有下降，它就會有用。”