Les chercheurs ont utilisé des microfils d'oxyde de zinc pour améliorer considérablement l'efficacité avec laquelle les diodes électroluminescentes (DEL) au nitrure de gallium convertissent l'électricité en lumière ultraviolette. On pense que les dispositifs sont les premières LED dont les performances ont été améliorées par la création d'une charge électrique dans un matériau piézoélectrique en utilisant l'effet piézo-phototronique.

En appliquant une contrainte mécanique aux microfils, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont créé un potentiel piézoélectrique dans les fils, et ce potentiel a été utilisé pour régler le transport de charge et améliorer l'injection de porteurs dans les LED. Cette commande d'un dispositif optoélectronique à potentiel piézoélectrique, dite piézo-phototronique, représente un autre exemple de la façon dont les matériaux qui ont à la fois des propriétés piézoélectriques et semi-conductrices peuvent être contrôlés mécaniquement.

"En utilisant cet effet, nous pouvons améliorer l'efficacité externe de ces appareils par un facteur de plus de quatre fois, jusqu'à huit pour cent, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. « D'un point de vue pratique, ce nouvel effet pourrait avoir de nombreux impacts sur les processus électro-optiques, notamment des améliorations de l'efficacité énergétique des dispositifs d'éclairage. »

Les détails de la recherche ont été rapportés dans le numéro du 14 septembre du journal Lettres nano . La recherche a été parrainée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et le U.S. Department of Energy (DOE). En plus de Wang, l'équipe de recherche comprenait principalement Qing Yang, chercheur invité à Georgia Tech du Département d'ingénierie optique de l'Université du Zhejiang en Chine.

En raison de la polarisation des ions dans les cristaux de matériaux piézoélectriques tels que l'oxyde de zinc, la compression mécanique ou la contrainte des structures fabriquées à partir des matériaux crée un potentiel piézoélectrique - une charge électrique. Dans les LED au nitrure de gallium, les chercheurs ont utilisé le potentiel piézoélectrique local pour régler le transport de charge à la jonction p-n.

L'effet était d'augmenter la vitesse à laquelle les électrons et les trous se sont recombinés pour générer des photons, améliorer l'efficacité externe de l'appareil grâce à une émission lumineuse améliorée et un courant d'injection plus élevé. "L'effet du piézopotentiel sur le comportement de transport des porteurs de charge est important en raison de sa modification de la structure de bande à la jonction, " expliqua Wang.

Les fils d'oxyde de zinc forment le composant "n" d'une jonction p-n, avec le film mince de nitrure de gallium fournissant le composant "p". Les porteurs libres ont été piégés au niveau de cette région d'interface dans un canal créé par la charge piézoélectrique formée en comprimant les fils.

Les conceptions LED traditionnelles utilisent des structures telles que des puits quantiques pour piéger les électrons et les trous, qui doivent rester assez proches les uns des autres pour se recombiner. Plus les électrons et les trous peuvent être retenus à proximité les uns des autres, plus l'efficacité du dispositif LED sera élevée.

Les dispositifs produits par l'équipe de Georgia Tech ont multiplié par 17 leur intensité d'émission et multiplié le courant d'injection par quatre lorsqu'une contrainte de compression de 0,093% a été appliquée au fil d'oxyde de zinc. Cela a amélioré l'efficacité de conversion jusqu'à un facteur de 4,25.

Les LED fabriquées par l'équipe de recherche ont produit des émissions à des fréquences ultraviolettes (environ 390 nanomètres), mais Wang pense que les fréquences peuvent être étendues dans la plage de la lumière visible pour une variété de dispositifs optoélectroniques. "Ces appareils sont importants pour l'accent mis aujourd'hui sur la technologie des énergies vertes et renouvelables, " il a dit.

Dans les dispositifs expérimentaux, une seule LED micro/nanofil d'oxyde de zinc a été fabriquée en manipulant un fil sur un substrat en tranchée. Un film de nitrure de gallium dopé au magnésium a été développé par épitaxie sur un substrat de saphir par dépôt chimique en phase vapeur métalorganique, et a été utilisé pour former une jonction p-n avec le fil d'oxyde de zinc.

Un substrat de saphir a été utilisé comme cathode qui a été placé côte à côte avec le substrat de nitrure de gallium avec un espace bien contrôlé. Le fil a été placé à travers l'espace en contact étroit avec le nitrure de gallium. Du ruban de polystyrène transparent a été utilisé pour recouvrir le nanofil. Une force a ensuite été appliquée au ruban par une tige d'alumine reliée à un étage de nanopositionnement piézo, créant la tension dans le fil.

Les chercheurs ont ensuite étudié le changement d'émission lumineuse produit en faisant varier la quantité de contrainte dans 20 appareils différents. La moitié des appareils ont montré une efficacité accrue, while the others – fabricated with the opposite orientation of the microwires – showed a decrease. This difference was due to the reversal in the sign of the piezopotential because of the switch of the microwire orientation from +c to –c.

High-efficiency ultraviolet emitters are needed for applications in chemical, biological, aérospatial, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

"This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."