Tot i que l’energia ultraviolada només representa el 5% de la llum solar, s’utilitza àmpliament a la vida humana. En l'actualitat, les aplicacions de llum ultravioleta inclouen curar la impressió, anti-falsificació de monedes, tractament de malalties de la pell, llum de creixement de plantes i danys en l'estructura molecular de microorganismes com bacteris i virus. Per tant, s’utilitza àmpliament en esterilització d’aire, purificació d’aigua i esterilització i desinfecció de superfícies sòlides.
La font de llum ultraviolada tradicional utilitza generalment l’estat excitat de la descàrrega de vapor de mercuri per generar llum ultraviolada, que presenta molts defectes com ara un gran consum d’energia, una gran generació de calor, una vida curta, una resposta lenta i possibles riscos per a la seguretat. La nova font de llum ultraviolada profunda utilitza el principi d'emissió de llum amb díode emissor de llum (LED), que presenta molts avantatges respecte a les làmpades tradicionals de mercuri. L’avantatge més important és que no conté mercuri tòxic. Amb la implementació de la Convenció de Minamata, indica que l’ús de làmpades ultraviolades que contenen mercuri quedarà totalment prohibit el 2020. Per tant, la forma de desenvolupar una nova font de llum ultraviolada respectuosa amb el medi ambient i s’ha convertit en un repte important per a les persones. .
Els LED ultraviolats profunds (LED DUV) basats en materials semiconductors de bandeja ampla de banda (GaN, AlGaN) s’han convertit en l’única opció per a aquesta nova aplicació. Aquest sistema de llum de tot estat sòlid és de mida petita, alt en eficiència i durada. Només un xip de la mida d’una funda de polze, pot emetre llum ultraviolada més forta que una làmpada de mercuri. El misteri d’això depèn principalment del material semiconductor de bretxa de banda directa dels nitrurs del grup III: els electrons de la banda de conducció i els forats de la banda de valència es recombinen, generant així fotons. L’energia del fotó depèn de l’amplada de banda prohibida del material. Els científics poden concretar l'emissió de diferents longituds d'ona ajustant la composició de l'element al compost ternari com AlGaN. Tot i això, no sempre és fàcil aconseguir una emissió de llum d’alta eficiència de LED UV. Els investigadors han descobert que quan els electrons i els forats es recombinen, no sempre es generen fotons. Aquesta eficiència es denomina eficiència quàntica interna (IQE).
Els grups de recerca de Sun Haiding i Long Shibing de l’Escola de Microelectrònica, de la Universitat de Ciències i Tecnologia de la Xina, i Guo Wei i Ye Jichun de l’Institut de Materials Ningbo de l’Acadèmia Xinesa de Ciències han descobert que per augmentar l’IQE el valor dels LED UV, un substrat que es pot cultivar mitjançant materials AlGaN-safir Al2O3 està controlat per l’angle de bisell. Els investigadors van descobrir que quan augmenta l’angle de bisell del substrat, es suprimeixen significativament les luxacions dins del LED UV i es millora significativament la intensitat lluminosa del dispositiu. Quan el substrat xamfrà arriba a 4 graus, la intensitat de l'espectre de fluorescència del dispositiu s'incrementa en un ordre de magnitud i l'eficiència quàntica interna ha assolit un rècord del 90%.
A diferència de l'estructura LED LED tradicional, el gruix del pou potencial i la barrera del pou quàntic multicapa (MQW) no és uniforme en la capa d'emissió de llum dins d'aquesta nova estructura. Amb l'ajut de la microscòpia electrònica de transmissió d'alta resolució, els investigadors van poder analitzar les estructures quàntiques dels pous en pocs nanòmetres a escala microscòpica. Els estudis mostren que al pas del substrat, els àtoms de gali (Ga) s’agregaran, cosa que redueix a una banda d’energia localitzada que s’estreny, i a mesura que la pel·lícula creixi, les regions riques Ga i Al s’estendran als LED DUV. Superfície, retorçada i doblegada a l’espai tridimensional, formant una estructura tridimensional de pous quàntums.
Els investigadors anomenen aquest fenomen especial: la separació en fase dels elements Al i Ga i la localització de portadors. Val la pena assenyalar que, al sistema LED blau basat en InGaN, In no és 100% miscible amb Ga, donant lloc a les regions riques en In i Ga en el material, la qual cosa resulta en estats locals i fomenta la càrrega. Recombinació radiactiva de portadors. Tanmateix, en els sistemes materials d’AlGaN, rarament es veu la separació de fase d’Al i Ga. Una de les significacions importants d’aquest treball és que el mode de creixement del material s’ajusta artificialment per afavorir la separació de fases i, per tant, millorar molt les característiques que emeten llum del dispositiu.
Optimitzant l’ajust del creixement epitaxial sobre un substrat bisell de 4 graus, els investigadors van explorar una estructura òptima de LED DUV. La durada del portador d'aquesta estructura supera els 1,60 ns, que generalment és inferior a 1ns en els dispositius tradicionals. Amb la prova lluminosa de la potència lluminosa del xip, els investigadors van descobrir que la seva potència lluminosa ultraviolada era més del doble del dispositiu tradicional basat en un substrat bisell de 0,2 graus. Aquesta és una prova més certa que els materials AlGaN poden aconseguir una separació de fase efectiva i una localització de portadors. A més, els experimentistes també van simular el fenomen de separació de fases dins dels pous quàntics múltiples d’AlGaN i els efectes del desnivell del pou potencial i del gruix de barrera sobre la intensitat lluminosa i la longitud d’ona mitjançant càlculs teòrics. Els càlculs teòrics estan d’acord amb els experiments.
Els resultats de la investigació han estat completats conjuntament pels professors Dai Jiangnan i Chen Changqing de la Universitat de Ciència i Tecnologia Huazhong, el professor Zhang Zihui de la Universitat de Tecnologia Hebei i el professor Boon Ooi i el professor Iman Roqan de la Universitat de Ciències i Tecnologia del Rei Abdullah. Els investigadors creuen que aquesta investigació proporcionarà noves idees per al desenvolupament de fonts de llum ultraviolades d’efecte sòlid d’alta eficiència. Aquesta idea no requereix substrats costumats ni processos complicats de creixement epitaxial. I només basant-se en l’ajust de l’angle bisell del substrat i la concordança i l’optimització dels paràmetres de creixement epitaxials, s’espera que les característiques lluminoses dels LED UV es milloren fins a un nivell comparable al dels LED blaus, posant una prova. per a aplicacions a gran escala de LED ultraviolats de gran potència i base teòrica. Els resultats relacionats es troben titulats "Luminescència ultraviolada millorada sense ambigüedat de les estructures de fons quantitzats ondulats d'Algoa Growned Grown in Large Misoriented Sapphire Substrate" i publicats en línia a Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).