近日，土耳其科克大学（Ko? University）的研究人员展示了一种基于纳米材料的白色发光二极管（LED），它创造了发光效率的记录：105 流明/瓦。经过进一步开发，新型LED可达到 200 流明/瓦的效率，从而成为一种可用于家庭、办公室和电视台的颇具前景的节能光源。
背景
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接将电转化为光。
芬兰国家技术研究中心研发的柔性LED
(图片来源：Antti Veijola/芬兰国家技术研究中心)
LED的基本原理是：当电子与空穴复合时能辐射出可见光。LED的核心器件是半导体晶片，晶片由两部分构成：一部分是P型半导体，一部分是N型半导体。两种半导体连接起来，就形成了“P-N结”。当电流作用于晶片时，电子流向P区并与空穴结合，然后以光子形式发出能量。
然而，发光的颜色，也就是光的波长，是由形成P-N结的材料决定的。一般来说，砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
创新
近日，土耳其科克大学（Ko? University）的研究人员展示了一种基于纳米材料的白色发光二极管（LED），它创造了发光效率的记录：105 流明/瓦。发光效率是光通量与功率的比值，即衡量了光源利用电力产生光线的效率。通过进一步开发，新型LED可以达到 200 流明/瓦的效率，从而成为一种可用于家庭、办公室和电视台的颇具前景的节能光源。
量子点白色LED
(图片来源：Sedat Nizamoglu, Ko? University)
在美国光学学会高影响力研究期刊《Optica》上，研究人员描述了他们是如何创造出这种高效的白色LED的。这种新型LED采用了市场可以买得到的蓝色LED，结合充满纳米尺寸半导体颗粒（量子点）溶液的柔性透镜。蓝色LED发出的光线引起量子点发出绿光和红光，并结合蓝光，创造出白光。
柔性透镜
(图片来源：Sedat Nizamoglu, Ko? University)
技术
(图片来源：参考资料【2】)
为了利用现有的LED制造出白光，研究人员为蓝色LED涂上了基于微黄色磷光体的涂料，从而将蓝光和黄光结合到一起。因为磷光体具有较宽的发射范围，从蓝色到红色，所以它难以灵敏地调谐生成的白光特性。
与磷光体不同，量子点生成的颜色纯净，因为它只发出较窄的频谱。这种较窄的发射，通过将产生不同颜色光线的量子点与蓝色LED相结合，创造出了具有精确的色温和光学特性的高质量白光。量子点也具有便于制造的优势，并且它们的发光颜色可通过增加半导体颗粒的尺寸来改变。进一步说，改变掺入量子点的浓度，可方便地生成像白炽灯一样的暖白光源，或者像荧光灯一样的冷白光源。
尽管目前嵌入到薄膜中的量子点应用于LED电视，然而这种照明方案却不适合广泛地应用于普通照明。研究人员通过在液体中转移量子点，战胜了当纳米材料嵌入到固体聚合物中时发生的问题性的效率下降。
制造高效的白色LED，要求量子点将蓝光高效地转化为红光或者绿光。研究人员展开了300多项合成反应，去分辨最佳条件，例如温度和反应时间，从而制造出可以发出不同颜色光线的量子点，同时表现出最佳的效率。
该校的领导研究员 Sedat Nizamoglu 表示：“制造白光需要集成适量的量子点，而且即使做到了这一点，还需要无数的蓝光、绿光和红光的组合生成白光。我们开发了一种基于我们最近报告的理论方案的仿真，并采用它判断适当的量，以及最佳的量子点颜色组合，从而高效地生成白光。”
为了制造新型LED，研究人员用高温条件下镉、硒、锌、硫混合合成的量子点溶液，填充了聚合物透镜与LED芯片之间的空间。研究人员采用一种硅树脂制造透镜，因为弹性使之可以将溶液注入到透镜中，而不会产生任何泄露，而且材料的透明度保证了必要的光线可以通过。
研究人员演示，他们基于液体的白色LED可达到固体薄膜量子点LED的效率的两倍。他们也通过采用白色LED照亮7英寸的显示器，进行了演示。
Nizamoglu 表示：“量子点对于高效的照明应用来说极具前景。对于生成更加高效的照明方案来说，技术研发仍然有很大的空间。”
价值
Nizamoglu表示：“在节约能源和保护环境方面，高效的LED极具潜力。用发光效率达200流明/瓦的LED取代传统光源，可以将全球照明电力消耗减少一大半。这种减少相当于230个典型的500兆瓦煤炭发电厂的发电量，并将减少温室气体排防达2亿吨。”
他还说：“我们的新型LED，比其他基于量子点的白色LED，达到了更高的效率水平。这种量子点和新型LED的合成与制造方案，对于制造量子点和新型LED来说，是简单、便宜、可量产的。”
未来
下一步，研究人员正在致力于提升LED的效率，并想要采用环境友好的无镉无铅的材料达到很高的效率水平。他们也在计划研究不同条件下的液体LED，保证它们对于长期应用来说是稳定的。
