Российские ученые предложили новую технологию производства наносветодиодов, которая позволяет повысить их эффективность преобразования электричества в свет практически вдвое — с 5,5 до 10,6%. Это поможет в будущем создать на их основе очки и линзы дополненной реальности, а также дисплеи с очень высокой яркостью, контрастностью и минимальным размером пикселя, что сделает изображение максимально реалистичным. Сейчас для производства подобных устройств используют светодиоды размером в несколько сотен микрон. По мнению экспертов, если разработчикам удастся перейти на наноструктуры, это даст очень высокое качество изображения.
Не тратить силы впустую
Специалисты НИТУ МИСИС и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН совместно с коллегами из южнокорейского Университета Корё усовершенствовали технологию получения наносветодиодов, которая позволяет повысить эффективность преобразования ими электричества в свет практически вдовое — с 5,5 до 10,6%. Благодаря этому мельчайшие элементы будут светить намного ярче и использовать для этого гораздо меньше энергии.
— В процессе создания светодиодов менее 30 микрометров часто возникают проблемы. После этапа сухого травления на стенках диодов появляются дефекты. Это приводит к росту безызлучательной рекомбинации, то есть электрическая энергия преобразуется не в свет, а, например, в тепло, — сказала инженер научного проекта лаборатории «Ультраширокозонные полупроводники» НИТУ МИСИС Луиза Алексанян.
Сейчас для производства дисплеев и очков используют светодиоды размером несколько сотен микрон. При этом наносветовые элементы на несколько порядков меньше. Это означает, что с их помощью можно делать устройства с гораздо более высоким разрешением и, следовательно, с крайне малым размером пикселя. Исследования показали, что наносветодиоды обладают более высокой яркостью и контрастностью по сравнению с их обычными, более крупными аналогами. Все эти свойства позволят создать из них устройства, дающие невероятно реалистичную картинку, отметила специалист.
Для производства этих источников света чаще всего используется метод сухого травления больших светодиодов из нитрида галлия и нитрида индия-галлия. Из них с помощью химических веществ или плазмы удаляют боковой слой.
Один из важнейших параметров оценки работы светодиода — внутренняя квантовая эффективность, которая показывает, насколько хорошо устройство преобразует электричество в свет. Из-за появления дефектов у структур без дополнительной обработки она очень низка, Чтобы решить эту проблему, используются различные методы: высокотемпературный отжиг, покрытие поверхности различными веществами и травление боковых стенок гидроксидом калия. Однако эти способы повышают эффективность лишь до 6,8%.
— Мы добавили наночастицы серебра, покрытые диоксидом кремния в полимер, заполняющий пространство между наносветодиодами. Эти частицы создают альтернативный маршрут передачи энергии для носителей заряда, что может улучшить его способность излучать свет. Разработка привела к максимальному улучшению внутренней квантовой эффективности до 10,6%, — сказала Луиза Алексанян.
По следам Нобелевской премии
Исследования в этом направлении ведутся во всем мире, некоторые производители представляют на выставках опытные образцы, но на практике пока их не используют.
— По нашем оценкам, их практическое применение начнется через 5–10 лет, когда технология производства станет экономически оправданной, — сказала Луиза Алексанян.
Увеличение квантовой эффективности микросветодиодов вдвое можно считать большим успехом. Разработка позволит в перспективе создавать высококачественные VR-очки и даже линзы, считает ведущий научный сотрудника научной лаборатории «Волоконная оптика» СпбПУ Николай Ушаков.
— Для этого очень важны их размеры, энергопотребление и эффективность светоотдачи. Именно для очков дополненной реальности принципиален маленький размер пикселя. Ученые работали с 800-нанометровыми светодиодами, а это близко к пределу, когда мелкие точки сливаются в одну, поэтому дальше уменьшать их размеры для более четкого изображения смысла нет. Однако чем меньше эти элементы, тем меньше их энергопотребление, что также важно для практического применения, — сказал эксперт.
За создание светодиодов на основе нитрита галлия, с которыми работают ученые МИСИС, в 2014 году вручили Нобелевскую премию, поэтому это очень перспективное направление для всей мировой науки, подчеркнул директор НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» УрФУ Илья Вайнштейн. По его словам, увеличение квантовой эффективности с 5 до 10% — хороший результат, но так как этот показатель может достигать и 100%, понятно, что у специалистов впереди много работы.
— Ученые использовали не отдельные кристаллики, а наностержни с большой удельной поверхностью, излучающей много света. Однако на них возникают дефекты, которые разработчики смогли уменьшить с помощью наночастиц серебра в кварце. Это фундаментальная работа, которая будет полезна и для практического использования в долгосрочной перспективе, — полагает он.
Однако микросветодиоды — это только одно из направлений развития технологий визуализации. Параллельно развиваются методы создания дисплеев из органических веществ, квантовых точек и т.д. И какое из них окажется наиболее перспективным, покажет только время, резюмировал эксперт.