Группа исследователей, возглавляемая учеными из американского Национального института стандартов и технологий (NIST), создала светодиодный источник света совершенно нового типа. Эти крошечные светодиоды демонстрирую невероятно высокий уровень излучаемого ими света, а при определенных условиях эти же светодиоды превращаются в крошечные полупроводниковые лазеры, что существенно расширяет область их возможного применения.
У обычных светодиодов, пусть и самых ярких, за которые в свое время даже была выдана Нобелевская премия, есть один огромный недостаток. Увеличение тока, проходящего через светодиод, приводит, в первое время, к увеличению яркости излучаемого им света. Но достаточно быстро наступает так называемый момент насыщения, дальнейшее увеличение тока через светодиод приводит к падению его яркости и к увеличению количества выделяемого им паразитного тепла.
Этот недостаток, известный под термином “провал эффективности”, является главным препятствием для использования светодиодов в коммуникационных технологиях, в медицине и других областях, где требуются источники света высокой интенсивности. Светодиоды же нового типа лишены недостатка “провала эффективности”, но это достижение не было главной целью ученых. Изначально они планировали создать микроскопический светодиод для его использования на самом малом масштабном уровне, на уровне элементов кристаллов микросхем и т.п.
Ключевым моментом, позволившим получить столь высокие характеристики нового светодиода, стала его пространственная структура. Вместо планарной (плоской) структуры кристаллов, используемых в обычных светодиодах, новый светодиод имеет длинный и тонкий светоизлучающий элемент из окиси цинка. Каждый из этих элементов имеет длину около 5 микрометров и его строение можно увидеть на первом из приведенных здесь изображений. Матрицы таких “трехмерных” светоизлучающих элементов, похожие на расческу, могут быть соединены в структуры, длина которых измеряется сантиметрами.
“Сначала мы посчитали, что удлиненная форма и большее сечение светоизлучающих элементов позволят нам пропускать больший электрический ток” – пишут исследователи, – “И первым делом мы попробовали измерить максимальный ток, который может выдержать структура светодиода. Мы начали плавно увеличивать ток, надеясь быстро дойти до значения, пока светодиод не выдержит и просто сгорит. Но этого не произошло, яркость свечения продолжала увеличиваться с дальнейшим увеличением тока”.
Как показали испытания, новый светодиод оказался способен излучать свет, находящийся на границе между фиолетовым цветом и ультрафиолетом, яркость которого в 100-1000 раз превышает яркость наилучших из существующих светодиодов. Если обычные светодиоды, площадь кристаллов которых не превышает одного квадратного микрометра, способны излучить свет, мощностью до 22 нановатт, то мощность света, излучаемого новым светодиодом, составляет порядка 20 микроватт.
Продолжая увеличивать ток через светодиод, ученые сделали удивительное открытие – до определенного момента светодиод излучал свет относительно широкого диапазона, но при увеличении тока до определенного предела спектр его излучения сузился и превратился в две четкие фиксированные спектральные линии в фиолетовой области. Другими словами, этот крошечный светодиод превратился в крошечный двухдиапазонный полупроводниковый лазер.
Это, в свою очередь, открывает совершенно новые перспективы перед новым светодиодом-лазером. Ведь такие крошечные лазеры являются основой систем химического анализа, мобильных коммуникационных систем следующего поколения, высококачественных устройств отображения информации, медицинских устройств и многого, многого другого.