Ученые из Хакасского государственного университета имени Н. Ф. Катанова (ХГУ, участник научно-образовательного центра "Енисейская Сибирь") предложили новый подход к созданию светодиодов, следует из работы, опубликованной в журнале "Фундаментальные проблемы современного материаловедения".
Светодиоды — полупроводниковые устройства, преобразующие электрическую энергию в световую. На сегодняшний день это ключевой элемент экранов, осветительных приборов и многих других систем.
Специалисты из ХГУ показали, что добавление наночастиц серебра, синтезированных особым методом, значительно повысит характеристики светодиодов любых типов.
Как объясняют авторы исследования, предложенные ими наночастицы со специальной геометрией активируют в светодиодах эффект поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Это явление заключается в усилении электромагнитного излучения на границе между благородным металлом и диэлектриком: свет, попадающий на стык частицы серебра или золота с непроводящим материалом, отражается с кратно возрастающей интенсивностью.
«
"Наша работа показала, что поверхностный плазмонный резонанс может не только существенно увеличить время жизни светодиода, но и многократно повысить его световую эффективность. Для достижения этих эффектов в светодиод нужно внедрить золотые или серебряные наноструктуры, имеющие различные сложные типы симметрии", — рассказал заведующий лабораторией "Нанофизика" ХГУ профессор Юрий Гафнер.
Интенсивность ППР зависит от многих факторов, главные из которых — форма и размер плазмонной наночастицы. По словам ученых, серебро — наиболее подходящий материал для создания таких частиц, так как оно дешевле других благородных металлов и проще поддается наноструктурированию.
"Варьируя размеры, форму и внутреннее строение плазмонной частицы, можно добиться большого прогресса как в усовершенствовании существующих вариантов светодиодов, так и в создании новых. Для того чтобы определить наиболее выгодную геометрию и структуру, мы использовали методы молекулярной динамики", — добавил Гафнер.
Плазмонные наночастицы отличаются от обычных отсутствием внутреннего строения, характерного для объемной формы вещества. Для получения такого наносеребра нужно разрушить кристаллическую решетку обычной частицы диаметром менее двух нанометров за счет нагрева до плавления, а затем резко остудить ее. Небольшой нагрев этой структуры позволяет получить плазмонные частицы с заданными параметрами симметрии. Как подчеркивают исследователи, эта методика синтеза была разработана и применена впервые в мире.
"Симметрия частиц влияет на величину рассеяния и поглощения световой волны. Наибольший эффект дают высокосимметричные фигуры — кубы, октаэдры и так далее, вплоть до "нанозвезд" с большим количеством острых "лучей". Максимально возможное количество острых углов фигуры обеспечивает высокий сток электронов, дающий увеличение светимости", — объяснил Гафнер.
Авторы отмечают, что их исследование носит фундаментальный характер. Экспериментальная проверка и внедрение в технологический процесс полученных данных уже ведется на базе некоторых вузов, например в Национальном исследовательском университете "МИЭТ".
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-12-20003.
Деятельность научно-образовательного центра "Енисейская Сибирь", созданного на базе Сибирского федерального университета по инициативе Красноярского края, Хакасии и Тувы, направлена на улучшение экологической ситуации в России и декарбонизацию промышленности. В НОЦ входят девять университетов, пять научно-исследовательских институтов и 14 промышленных предприятий.