為了地球 燈泡改用石墨烯?
在LED進入大眾視野的幾年過程中,技術的進步和人類需求的提高起到了絕大部分作用。即便是家用的沒有損壞的傳統照明,也逐漸被白光LED所取代。因為白光LED設備在功耗和照明的效果上有巨大的優勢。
雖然LED產品普及到如此地步,但是仍然面臨這一個巨大的問題,就是制作LED的原材料稀土元素越來越少。為了解決這個問題,研究者正在研究一種避開稀土元素制作而成的全新的LED,用石墨烯改寫現在的白光LED技術。
目前的的白光LED,也稱為白光二極管,其白色光主要由單晶、多晶兩種方式實現。多晶的意思是由不同顏色的LED封裝在一起,通過顏色互補的方式顯示出白色光。而單晶的方式就比較簡單了,通過單一藍光LED和其表面黃色磷光體組成的,磷光體的黃光和藍光LED的混合,會讓視覺上有白光的效果。以上兩種工藝,都無法避開使用稀土元素。
最近,臺灣清華大學的研究者在《ACS Nano》上發表了一篇文章,其中指出研究者使用稀土元素以外的材料制作出了可以發白光的LED產品。這個LED以堿金屬鍶為基礎,搭建了金屬有機框架(MOF),在MOF的上下分別結合了石墨烯等材料,構成了可以直接發出白光的LED。
MOF是一種非常有前途的材料,它是由金屬離子和有機材料配合形成的。在過去的20年中,廣泛應用做化學分離器、藥物輸送、氣體儲存、催化等領域。而在光電領域卻極難見到這個材料,因為MOF一般多孔、導電性差。
在早期的研究過程中,可以發出白光的MOF基本是由不同種稀土元素復合在一起。為了解決以上問題,應改用導電性能較好的元素,但同時這個元素也要能在激發下發射款頻段的光。研究者換用了有機配體,使用了堿土金屬鍶制備MOF材料。
在MOF表面,加上了透明電極石墨烯,提高了載流子遷移率,也不會特別影響光學性能。由于石墨烯優良的導熱性能,新型白光二極管的導熱性能更好。
在MOF材料外圍,研究者還組合了石墨烯、二氧化硅、氧化鋅。使其在電驅動可以發光。使用MOF材料來制造發光器件,給了人們一個全新的思路。
測試結果表明,作為發光器件,其光線的顯示范圍非常接近于自然光(圖中綠色點),作為半導體器件,其穩定性也較好,在測試的兩個月期間,幾乎沒有性能下降。
在性能之外,這個材料的環保意義更加重要,由于新型LED沒有使用稀有元素,大量減少了稀土元素的使用量,稀土元素越來越少的現在,減少使用稀土元素非常重要。同時,這也能減少開采稀土元素所造成的環境污染。
新材料發射出的光線與自然光非常貼近,不會有強烈的藍色光出現。由于不用遮擋其他顏色光,發光效率得以大大提升。減少了電力的消耗,溫室氣體的排放量也會降低。
從常見的燈泡到電子設備中的液晶面板越來越多的設別開始使用LED作為光源,無論從資源的保護來講,還是從環境的保護來講,全新白光LED技術的出現都是極好的。