Nghiên cứu tiết lộ những thách thức về hiệu quả trong đèn LED xanh lục và lục lam

Trong câu chuyện vĩ đại về công nghệ chiếu sáng hiện đại, "cách mạng quang điện" của LED đã làm cho thế giới bị mê hoặc.Từ màn hình điện thoại thông minh bùng nổ với màu sắc rực rỡ đến cảnh quan thành phố tỏa sáng với cảnh quan ban đêm tỏa sángTuy nhiên, bên dưới bề mặt sáng này là một sự thật khó chịu: một số dải quang phổ, đặc biệt là ở vùng xanh lá cây và màu xanh dương,hình thành một "thương trường hiệu quả" mà tiếp tục thách thức các kỹ sư.

Phân phối bước sóng của đèn LED không chỉ được quyết định bởi các giới hạn vật lý, nhu cầu thị trường đóng vai trò quyết định.cơ bản cho đèn LED màu trắng (bạch cầu kết hợp với phốt pho vàng), được yêu cầu hàng tỷ đơn vị. quy mô khổng lồ này biện minh cho đầu tư liên tục vào R & D trong các quy trình tăng trưởng epitaxial.

Ngược lại, quang phổ màu đỏ sâu 480-520nm và 680-800nm chiếm vị trí thích hợp trong ánh sáng chung.những giải pháp này không bao giờ đạt được lợi thế chi phí của sản xuất hàng loạtKết quả là một vòng luẩn quẩn: các ứng dụng hạn chế hạn chế khối lượng sản xuất, chi phí cao ngăn cản việc áp dụng.và giảm nhu cầu tiếp tục làm giảm R&D một trường hợp cổ điển của các lực lượng thị trường áp đặt "giảm kích thước" cho tiến bộ công nghệ.

Ở cấp lượng tử, cấu trúc băng dẫn bán dẫn dựng nên những rào cản cơ bản khác nhau cho các màu sắc khác nhau.Độ dài sóng LED được xác định bởi chiều rộng băng tần của vật liệu khoảng trống hẹp tạo ra bước sóng dài (màu đỏ), trong khi các khoảng trống rộng tạo ra bước sóng ngắn (màu xanh / xanh lá cây).

Đèn LED màu đỏ thường sử dụng AlGaAs (aluminium gallium arsenide) với khoảng cách băng tần hẹp, hoạt động ở điện áp phía trước thấp (1.5-2.5V).đèn LED màu xanh/xanh đòi hỏi InGaN (indium gallium nitride) với băng tần rộng, đòi hỏi điện áp cao hơn (2.5-3.5V). Tài sản vốn có này có nghĩa là đèn LED xanh phải đối mặt với những thách thức về nhiệt và lái xe lớn hơn ngay từ đầu.

Một quan niệm sai lầm quan trọng trong các cuộc thảo luận về hiệu quả của đèn LED liên quan đến việc kết hợp năng lượng vật lý với nhận thức của con người.trong khi luồng ánh sáng được cân nhắc bởi đường cong nhạy cảm của mắt con người CIE phản ánh độ sáng chủ quan.

Mắt có độ nhạy cao nhất ở 555nm (màu vàng-xanh), trong đó 1 watt bằng 683 lumen.Điều này giải thích tại sao đèn LED màu trắng lạnh có vẻ sáng hơn màu trắng ấm.Phần phổ của chúng bao gồm các thành phần màu xanh lá cây nhạy cảm hơn với mắtSự thiên vị nhận thức như vậy che giấu những hạn chế vật lý thực sự của hiệu quả LED xanh.

Trong khi hiệu suất lượng tử nội bộ (IQE) đại diện cho "trái tim" của chip, hiệu suất chiết xuất ánh sáng (LEE) tạo thành "chiến lược thoát" của nó." Phosphor hiện đại đạt hiệu suất lượng tử 100%" "nhưng khó khăn thực sự nằm ở việc giải phóng photon từ các chất bán dẫn có chỉ số khúc xạ cao"..

Photon phát ra theo cách đồng cực trong bán dẫn, nhưng sự khác biệt chỉ số khúc xạ mạnh tại các giao diện không khí gây ra sự phản xạ nội tại tổng thể.Các kỹ sư chống lại điều này thông qua các cấu trúc vi mô bề mặtHiệu suất chiết xuất hiện tại đạt ~ 80% cho đèn LED InGaN-GaN màu xanh nhưng chỉ ~ 60% cho đèn LED màu đỏ.Các đèn LED xanh phải đối mặt với những thách thức phức tạp  cân bằng sự không phù hợp lưới InGaN ở các thành phần indium cao với các cấu trúc chiết xuất cụ thể theo bước sóng.

"Sa mạc hiệu quả" màu xanh lá cây / xanh dương xuất hiện từ vật lý vật liệu và các hạn chế quang học.Những bước đột phá sẽ không đến từ những cải tiến phốt pho từng bước nhưng những đổi mới về vật liệu cơ bản, đặc biệt là thông qua các thiết kế cấu trúc quy mô nano trong các hệ thống băng tần rộng hơn.

Khi các công nghệ hiển thị như Micro-LED thúc đẩy nhu cầu tái tạo đầy đủ màu sắc, khả năng kinh doanh cho các bước sóng màu xanh lá cây / cyan có thể đạt đến khối lượng quan trọng.Khi các lực lượng thị trường phù hợp với tiến bộ khoa học, sa mạc hiệu quả ngày nay có thể biến thành ốc đảo sáng của ngày mai đánh dấu một cột mốc khác trong sự thống trị ánh sáng của nhân loại.