Чи-Чоу Лин (Chi-Chou Lin), аспирант из Техасского университета A&M (Texas A&M University), работавший под руководством профессора Ю Куо (Yue Kuo), разработал и изготовил опытные образцы новых твердотельных светоизлучающих приборов, принцип работы которых практически не отличается от принципа работы классической лампы накаливания.
Как и лампочка, твердотельное устройство работает, нагревая нити до такой температуры, что они начинают излучать яркий свет, исключение составляет то, что нити этих микролампочек имеют диаметр от 20 до 150 нанометров, а сами такие лампочки могут изготавливаться при помощи обычных технологий изготовления полупроводниковых устройств.
“Если говорить простыми словами – мы создали твердотельный вариант лампочки накаливания Эдисона” – рассказывает профессор Ю Куо, – “Только наша микролампочка более долговечна и способна проработать в непрерывном режиме минимум 7 тысяч часов”.
Созданное светоизлучающее устройство получило название “solid-state incandescent LED”, только аббревиатура LED в данном случае не означает, что это какая-то из разновидностей светодиодов. По сути, устройство представляет собой полупроводниковый МОП-конденсатор, состоящий из диэлектрического слоя аморфного материала, расположенного между металлическим электродом и электродом из полупроводникового кремния р-типа. Излучаемый свет проходит наружу через тонкий слой верхнего электрода, изготовленного из прозрачного материала типа оксида олова-индия.
Для того, чтобы данная структура начала излучать свет, к двум электродам прикладывается достаточно высокое электрическое напряжение, способное преодолеть сопротивление диэлектрического материала. Это становится причиной появления множества крошечных токопроводящих каналов электрического пробоя, нитей, через которые течет электрический ток. Из-за относительно малого электрического сопротивления эти нити нагреваются, превращаясь в точечный источник света высокой яркости. Как и любая лампа накаливания, твердотельное устройство излучает белый свет, имеющий широкий спектральный диапазон.
Следует отметить, что Куо и Лин работали над своей микроскопической лампой накаливания с 2011 года. За все это время ими было опробовано множество вариантов комбинаций материалов электродов и диэлектрика, таких, как окись вольфрама и окись гафния. И лишь недавно им удалось комбинацию, которая начала работать, демонстрируя неплохие показатели. Поскольку такие светоизлучающие устройства могут быть изготовлены из широкодоступных материалов и при помощи обычных технологий производства, они могут стать альтернативой светодиодам в осветительных источниках света, в некоторых областях оптических коммуникаций и т.п.
Но, как это бывает очень часто, одну большую бочку меда всегда портит одна маленькая ложка дегтя. И в качестве ложки дегтя в данном случае выступает крайне низкая эффективность микроскопической лампы накаливания. В ходе экспериментов с опытными образцами исследователи установили, что в свет преобразуется всего один процент от количества энергии, подаваемой в устройство. Но ученые считают, что несовершенство использованного метода измерений стало причиной того, что большая часть излучаемого света была ими “потеряна”, а эффективность их “лампочки” составляет не менее 10 процентов, что сопоставимо с эффективностью обычных ламп накаливания.
Но у твердотельной лампочки имеется одно существенное отличие от обычных ламп накаливания. Обычные лампы преобразуют около 90 процентов энергии в энергию инфракрасного теплового излучения, твердотельная же лампочка демонстрирует максимальную эффективность именно в области видимого света. Но, в любом случае, о практическом применении таких светоизлучающих устройств говорить слишком рано, ведь они по эффективности проигрывают светодиодам и твердотельным лазерам с огромным разрывом, который вряд ли сможет сократиться в ближайшем времени.