Углеродная электроника.
Электроника на основе углерода, особенно углеродных нанотрубок (УНТ), становится преемником кремния в производстве полупроводниковых материалов. И они могут создать новое поколение более ярких, маломощных и недорогих осветительных устройств, которые могут бросить вызов господству светодиодов (LED) в будущем и помочь удовлетворить постоянно растущий спрос общества на более экологичные лампы.
Ученые из Университета Тохоку в Японии разработали новый тип энергоэффективного плоского источника света на основе углеродных нанотрубок с очень низким энергопотреблением — около 0.1 Вт на каждый час работы — примерно в сто раз меньше, чем у светодиода.
В журнале Review of Scientific Instruments из публикации AIP исследователи подробно описывают изготовление и оптимизацию устройства, которое основано на люминофорном экране и однослойных углеродных нанотрубках в качестве электродов в диодной структуре. Вы можете думать об этом как о поле вольфрамовых нитей, сжатых до микроскопических размеров.
Они собрали устройство из жидкой смеси, содержащей высококристаллические однослойные углеродные нанотрубки, диспергированные в органическом растворителе, смешанном с мылоподобным химическим веществом, известным как поверхностно-активное вещество. Затем они «нанесли» смесь на положительный электрод или катод и поцарапали поверхность наждачной бумагой, чтобы сформировать световую панель, способную производить большой, стабильный и однородный ток эмиссии с низким энергопотреблением.
«Наша простая« диодная »панель может обеспечить высокую эффективность яркости 60 люмен на ватт, что является отличным потенциалом для осветительного устройства с низким энергопотреблением», — сказал Норихиро Шимои, ведущий исследователь и доцент кафедры экологических исследований в Университете Тохоку.
«Эффективность яркости говорит людям, сколько света излучается источником освещения при потреблении единицы электроэнергии, что является важным показателем для сравнения энергоэффективности различных осветительных устройств», — сказал Шимои. Например, светодиоды могут производить 100 люмен на ватт, а светодиоды OLED (органические светодиоды) — около 40.
Хотя устройство имеет диодную структуру, его светоизлучающая система не основана на диодной системе, которая состоит из слоев полупроводников, материалов, которые действуют как нечто среднее между проводником и изолятором, электрические свойства которых могут контролируется добавлением примесей, называемых легирующими добавками.
Новые устройства имеют люминесцентные системы, которые больше похожи на электронно-лучевые трубки, с углеродными нанотрубками, действующими как катоды, и люминофорным экраном в вакуумной полости, действующим как анод.
Под действием сильного электрического поля катод испускает плотные, высокоскоростные пучки электронов через острые концы нанотрубок — явление, называемое полевой эмиссией. Затем электроны пролетают через вакуум в полости и, ударяясь о люминофорный экран, начинают светиться.
«Мы обнаружили, что катод с высококристаллическими однослойными углеродными нанотрубками и анод с улучшенным люминофорным экраном в нашей диодной структуре не дает тока эмиссии мерцания поля и обеспечивает хорошую однородность яркости», — сказал Шимои.
Автоэмиссионные источники электронов привлекают внимание ученых благодаря своей способности обеспечивать интенсивные электронные пучки, которые примерно в тысячу раз плотнее, чем у обычного термоэмиссионного катода (например, нити в лампе накаливания). Это означает, что источники автоэмиссии требуют гораздо меньше энергии для работы и производят гораздо более направленный и легко управляемый поток электронов.
В последние годы углеродные нанотрубки стали перспективным материалом для полевых эмиттеров электронов благодаря своей игольчатой наноразмерной форме и необычным свойствам химической стабильности, теплопроводности и механической прочности.
Шимои объяснил, что высококристаллические однослойные углеродные нанотрубки (HCSWCNT) почти не имеют дефектов в углеродной сетке на поверхности. «Сопротивление катодного электрода с высококристаллической однослойной углеродной нанотрубкой очень низкое. Таким образом, новое плоское устройство имеет меньшие потери энергии по сравнению с другими современными осветительными приборами, которые можно использовать для изготовления энергоэффективных катодов с низким энергопотреблением."
«Многие исследователи пытались сконструировать источники света с углеродными нанотрубками в качестве полевого излучателя», — сказал Шимои. «Но никто не разработал эквивалентного и более простого осветительного устройства."
Принимая во внимание основной этап производства устройства — процесс мокрого покрытия — это недорогой, но стабильный процесс для изготовления однородных тонких пленок большой площади, плоское эмиссионное устройство может обеспечить новый подход к освещению в жизни людей. стиль и сократить выбросы углекислого газа на Земле, сказал Шимои.