Kiselkarbid ger rent vitt ljus

Genom att dopa kiselkarbid med kväve och bor går det att få ut ett varmt vitt ljus. Det har forskare från Linköpings universitet visat sedan tidigare. Däremot är det besvärligt att skapa ett rent vitt ljus enbart genom att dopa materialet. Nu visar forskare på Danmarks tekniska universitet i samarbete med LiU-forskare en ny metod som kan klara den utmaningen.

Dagens vita lysdioder består egentligen av blå lysdioder i galliumnitrid med ett filter av fosfor ovanpå som skapar det vita ljuset. Men fosfor är känsligt för värme, så den bryts ned med tiden vilket gör att lysdioderna får ett blåtonat ljus.

– Kiselkarbid tål däremot hög värme och ger en lysdiod med en beräknad livstid på minst 35 år, säger Mikael Syväjärvi, forskare på LiU som under många år arbetat med metoder att tillverka lysdioder i kiselkarbid.

Forskarna Haiyan Ou, vid Danmarks tekniska universitet (DTU) och Mikael Syväjärvi vid LiU sitter bakom prototypen av de vita lysdioderna.

Tillsammans med bland annat professor Rositsa Yakimova har Mikael Syväjärvi varit med och utvecklat en grundteknik för att få fram kiselkarbid som avger ljus. Forskningen skedde på Linköpings universitet inom ett nordiskt projekt åren 2010 till 2012, men bromsades av brist på finansiering.

När Danmarks tekniska universitet fick medel för att utveckla vita lysdioder i kiselkarbid för två år sedan fick de svenska forskarna haka på en del av finansiering.

– Vi har visat att det går att göra lysdioder i kiselkarbid som ger varmt vitt ljus. Målet i samarbetet med det danska universitetet har varit att ta fram rent vitt ljus utan färgtoner.

För att få varmt vitt ljus – en färgton mellan gult och grönt – dopar forskarna kiselkarbiden med kväve och bor. Dopämnena gör att elektroner rör sig mellan olika laddningar och avger ljus.

Demonstratorn visar hur en armatur med de vita lysdioderna skulle kunna se ut.

Genom att dopa med andra ämne går det att få ut andra färgtoner. En tillsats av kväve och aluminium i ett andra lager kan exempelvis ge en blå-grön-färgton.

Tanken har varit att gå den vägen och sedan mixa gult och blått ljus för att få fram olika vita nyanser. Det har emellertid visat sig svårt att skapa blått ljus genom att dopa kiselkarbid.

Istället har de danska forskarna lyckats skapa ett poröst skikt på kiselkarbiden. Den porösa strukturen på ytan av materialet ger kvantmekaniska effekter som resulterar i ett blå-grönt-ljus.

– När tekniken används tillsammans med dopad kiselkarbid får man en integrerad struktur som avger ett vitt ljus. Det är första gången det har gjorts en kombination av två tekniksteg för att få fram det vita ljuset utan färgtoner, förklarar Mikael Syväjärvi, och han tillägger:

– Vi har visat att man kan få ut ljus ur materialet, men det är än så länge lite för ynkligt. Nu ska vi gemensamt jobba på att få upp effekten.

Uteffekten ska höjas genom att forskarna dels förbättrar processen för att göra materialet så att det bildas ljus. Dels genom att de modifiera ytan så att mer ljus kommer ut istället för att reflekteras tillbaka in i materialet. Det sistnämnda är en teknik som danskarna har ett patent på.

Forskningsresultatet har nyligen publicerats i tidskriften Scientific Reports, som ges ut av Nature Group. Artikeln ”White light emission from fluorescent SiC with porous surface” är skriven av forskare från DTU, Meijo University i Japan och LiU.

I forskningsprojektet är numera även kinesiska forskare med.

– Vi hoppas på att Kina ska intressera sig för forskningsområdet och då kanske ge fler utvecklingsmöjligheter, avslutar Mikael Syväjärvi.