Đèn LED tiết kiệm năng lượng ở cấp độ nguyên tử

Các nhà khoa học đã phát triển ra những điốt phát quang siêu mỏng và tiết kiệm năng lượng cho các thế hệ công nghệ truyền tải dữ liệu tiếp theo.

Các nguồn ánh sáng đáng tin cậy chuyển đổi dòng điện sang tín hiệu quang học có tầm quan trọng cơ bản đối với công nghệ xử lý thông tin. Hiệu suất năng lượng và tốc độ cao LED có thể được tích hợp vào một vi mạch và truyền thông tin là một trong những yếu tố chính trong việc cho phép truyền dữ liệu dung lượng cao.

Các chất bán dẫn hai chiều (2D), graphene, vật liệu mỏng cấp nguyên tử gần đây đang thu hút được sự quan tâm vì kích thước của chúng (chỉ dày vài nguyên tử), đặc tính phát sáng ánh sáng được xác định rõ và triển vọng để tích hợp vào chip. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo đèn LED dựa trên các vật liệu này, nhưng việc phát hiện ánh sáng hiệu quả vẫn đang là một thách thức.

Con số này cho thấy sự phát xạ của ánh sáng đỏ từ đèn LED kích thích điện được tạo ra bằng vật liệu bán dẫn 2D. (A) Hình ảnh bên trái minh hoạ cấu trúc của thiết bị, bao gồm các vật liệu lớp khác nhau. Các ngăn xếp các lớp gồm graphene lớp (FLG), nitro boron lục giác (hBN), và sulfua vonfram (WS2). (B) hình ảnh bên phải cho thấy một hình ảnh kính hiển vi chụp trong bóng tối trong khi các nhà nghiên cứu áp dụng một điện áp vào thiết bị. (Credit: NUS)

Thiết bị LED hiệu quả chuyển đổi hầu hết điện năng đầu vào của nó để phát sáng (tức là, với những tổn thất ít nhất trong các dạng chuyển đổi năng lượng sang ánh sáng ví dụ khác như nhiệt). Các nghiên cứu trước đây về đèn LED dựa trên chất bán dẫn 2D báo cáo rằng cần có một lượng điện lớn để kích hoạt phát sáng. Điều này có nghĩa là một phần đáng kể điện năng đầu vào sẽ tiêu tán dưới dạng nhiệt thay vì tạo ra ánh sáng.

Nhóm phát hiện ra rằng việc ngăn chặn sự rò rỉ của dòng điện từ lớp phát xạ đến các điện cực kim loại làm giảm đáng kể lượng mất năng lượng này. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một lớp cách điện của một vài nanomet cản trở đáng kể sự mất mát năng lượng điện đầu vào mà không cần đưa điện trở quá nhiều.

Bằng cách tối ưu hóa độ dày của các lớp cách điện, nhóm đã giảm được dòng điện cần thiết để kích hoạt phát xạ ánh sáng lên hơn 10.000 lần so với đèn LED hiện đại dựa trên chất bán dẫn 2D.

Nhà nghiên cứu hàng đầu Goki Eda, giáo sư thuộc khoa Vật lý và Hóa học của Đại học Quốc gia Singapore, nói: "Các thiết bị của chúng tôi có thể hoạt động ở dòng điện cực kỳ thấp bởi vì thiết bị được thiết kế để để chạy với điện năng tối thiểu"

"Bằng cách tối ưu hóa chất lượng vật liệu cùng với phương pháp thiết kế và chế tạo thiết bị, có thể phát ra ánh sáng hiệu quả với sự kiểm soát chính xác ở cấp độ nano. Điều này có thể có tác động đáng kể đến sự phát triển của công nghệ thông tin trong tương lai ", Eda cho biết.

Nhóm nghiên cứu hiện đang điều tra nguồn gốc của các quy trình mất năng lượng để nâng cao hơn nữa hiệu quả của thiết bị của họ.