Plaatsen nanodeeltjes op halfgeleiders leidt tot hogere lichtopbrengst bij leds

Wetenschappers van de Universiteit van Michigan hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee metalen nanodeeltjes op halfgeleiders worden geplaatst. Dat kan zorgen voor een 50 procent hogere efficiëntie van led-lampen en uiteindelijk tot een 'onzichtbaarheidsmantel' leiden.

De techniek die de onderzoekers hebben ontwikkeld, maakt het mogelijk om nanodeeltjes vrij precies te plaatsen op halfgeleiders. De onderzoekers gebruiken een straal ionen tussen de lagen metaal bij wafers; dat leidt ertoe dat de metalen deeltjes als het ware uit de wafer worden geduwd en op het oppervlak komen te zitten. Het metaal vormt nanodeeltjes, waarvan de grootte en positionering kunnen worden bepaald door de hoek en de intensiteit van de straal ionen aan te passen.

Deze techniek is eenvoudig te integreren met de moleculairestraalepitaxie, die de halfgeleiderindustrie inzet om lagen metalen op een wafer aan te brengen, zodat halfgeleiders de juiste geleidende eigenschappen krijgen. Als de ruimte tussen de nanodeeltjes, hun grootte en de verspreiding ervan precies worden gestuurd, kan er een punt worden bereikt waarop de lichtemissie van bijvoorbeeld led-lampen aanzienlijk kan worden verbeterd. Halfgeleiders in led-lampjes waarbij nanodeeltjes precies worden geplaatst, zijn volgens de onderzoekers in staat om de efficiëntie van de led-lampen te verhogen met wel 50 procent.

Het proces kan worden gebruikt voor de halfgeleider galliumnitride, die gebruikt wordt in led-lampen, maar kan volgens de onderzoekers ook worden gebruikt voor andere halfgeleiderproducten, zoals zonnepanelen. De nanodeeltjes fungeren hierbij als het ware als antennes die de elektriciteit bij een halfgeleider kunnen beïnvloeden en sturen, waardoor de lichtopbrengst kan worden verhoogd. Ook kunnen de nanodeeltjes helpen om licht uit het lampje te weerkaatsen en te voorkomen dat licht onverhoopt 'vast' komt te zitten.

De onderzoekers denken dat deze techniek uiteindelijk gebruikt zou kunnen gaan worden om bepaalde objecten deels onzichtbaar maken. Het fenomeen dat hiervoor moet zorgen heet negatieve refractie. Bij dit fenomeen worden lichtgolven als het ware omgebogen en in teruggaande richting gestuurd, waardoor ze mogelijk om een object heen kunnen worden gebogen, weg van iemands oog. De onderzoekers denken dat als de nanodeeltjes heel precies kunnen worden gepositioneerd, ze een bepaalde mate van controle hebben op het manipuleren en uitzenden van licht, ook al erkennen ze dat dit moeilijk is.

Omdat het proces van het plaatsen van nanodeeltjes heel nauw komt, is het tot nu toe onpraktisch en te duur gebleken voor toepassing op grote schaal in een fabricageproces. Onderzoekers weten al langer dat metalen nanodeeltjes op het oppervlak van halfgeleiders samen kunnen komen, maar de industrie zag dit tot nu toe vooral als hinderlijk en beschouwde het als een productiefout. Volgens de onderzoekers is de door hen ontwikkelde techniek de eerste waarmee op goedkope wijze nanodeeltjes op en onder het oppervlak van halfgeleiders kunnen worden geplaatst. De onderzoekers denken dat lampen met hogere efficiëntie door de beschreven toepassing van nanodeeltjes over vijf jaar zouden kunnen worden uitgebracht.

Het onderzoek is onder de noemer Formation of embedded plasmonic Ga nanoparticle arrays and their influence on GaAs photoluminescence gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Journal of Applied Physics.

Reacties (49)

[Dark_man]

Ik heb wel altijd het idee gehad dat de huidge techniek teveel stroom gebruikt voor licht.

Naar mijn gevoel zou het veel zuiniger moeten kunnen.

Tegenwoordig gebruiken zelfs LED lampen 9 watt voor een equivalent van een gloeilamp van 60 watt en die 9 watt is eigenlijk best veel.

[Verwijderd]

Dat valt best mee. LED's kunnen in de buurt van de 50% efficientie komen (elektriciteit -> licht).
Helaas ziet je oog niet alle kleuren even goed, waardoor je eigenlijk zelf een deel van het licht onbenut laat.
De enige manier om dat op te lossen is om alleen nog maar groen licht te gebruiken (maar dat is natuurlijk niet heel prettig).

Edit: daarnaast ontkom je niet aan verliezen door de conversie van 230V wisselspanning naar een lage gelijkspanning. Dan toch maar zonnepanelen nemen en een gelijkspanningsnet aanleggen in je huis?

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 31 juli 2024 13:57]

[mjz2cool]

is dat de reden waarom bij ons in de buurt sommige straatverlichting een groene tint heeft?

[Verwijderd]

Daar zijn meerdere redenen voor. Inderdaad een relatief laag energieverbruik (omdat je oog optimaal werkt bij groet licht), en bij weinig licht kun je toch weinig kleur onderscheiden. Daarnaast valt het, in een groene omgeving, minder op in het landschap waardoor het een 'groene'/natuurvriendelijke uitstraling heeft.
Over de effecten op dieren is men het overigens nog niet eens...

[mjz2cool]

ah zo, het is ook wel veel fijner als dat felle witte licht. bij ons was het eerst allemaal gele verlichting, maar wat vervangen moet worden wordt nu wit, dat verpest de sfeer best wel en het verblind je veel meer. maar dat groene licht is inderdaad ook vooral buiten de bebouwde kom, in de bossen en tussen weilanden e.d. en dat is echt veel beter voor je zicht.

[gfgw]

Voor dat laatste: zie bijvoorbeeld dit artikel.

[corl]

Zolang led lampen warm worden weet je dat er nog steeds een (groot) deel van de energie wordt omgezet in warmte ipv in licht.

[Robbaman]

Komt dat niet eerder door de ingebouwde 230 -> 12? Volt adapter? De leds zelf worden volgens mij niet echt warm toch?

[SirNobax]

Nee, helaas. Het rendement van een fatsoenlijk step-down circuit zal rond de 85% zitten, de efficiency van een LED zit doorgaans echter rond de 30%.

[mjz2cool]

leds zelf worden ook warm, maar wel veel minder dan normale lampen.

[gfgw]

Dan heb je nog nooit je vingers verbrandt aan een 1W led.

Op zoek naar led vervanging voor de tl-buizen (T5 met elektronische ballast) onder de keukenkastjes ben ik nog niets tegengekomen wat een wezenlijk hoger rendement had dan de tl-buizen. Over een lengte van 2,5 meter heb ik nu ca. 5000 lumen bij 49W. De beste led strips halen ongeveer hetzelfde, dus nu vervangen is zinloos. Over vijf jaar nog maar eens kijken.

[Grrrrrene]

Als dat zou was zouden de leds zelf niet op een heatsink geplakt te worden en zouden 12V-leds niet warm worden. Als het rendement van 50% hierboven klopt (geen zin om het uit te zoeken) betekent dat dat een 6W-ledlamp 3W aan warmte genereert. Dat is best een grote hoeveelheid warmte voor zo'n klein beetje electronica.

[EquiNox]

Ik zie voordelen voor LED backlights van LCD schermen!

[MrFax]

Zeker buiten in de zon, kan je veel hogere helderheid hebben met dezelfde energie.

[Reactie gewijzigd door MrFax op 31 juli 2024 13:57]

[Daileass]

om nog maar te zwijgen over betere HDR mogelijkheden! zelfs op smartphones en andere mobiele apparaten

[Stijn Weijters]

en nog betere televisies!

[svenk91]

Ik dacht meer aan flinke besparing van energie door ze in straatverlichting te stoppen

[Dark_man]

Over 5 jaar zal LCD weinig meer gebruikt worden omdat tegen die tijd alles waarschijnlijk OLED zal worden.

[supersnathan94]

Het principe gaat dan echter nog steeds op. OLED is nog steeds LED en dus ook daar kan een efficientie slag gemaakt worden. OLED panelen zijn namelijk onzuiniger dan LCD schermen bij heldere kleuren zoals wit en geel. HDR wordt hiermee wel Makkelijker en efficienter gemaakt iig.

[Basket Kees]

OLED heeft weinig met LED te maken. Het gaat in beide gevallen over Light Emitting Diodes, maar de gebruikte materialen en wijze van productie zijn compleet verschillend. Dit bericht gaat over het plaatsen van metalen nanodeeltjes op silicium wafers. Dat zal niet van invloed zijn op OLEDs omdat het daar Organische materialen betreft die geprint worden op een substraat.
Het hogere verbruik van OLED schermen ligt verder vooral aan de hardware voor de aansturing; de OLEDs zelf slurpen niet zoveel. Daar zijn al grote stappen gemaakt en de meest recente OLED schermen zijn al veel zuiniger. De enorm grote schermen daargelaten verbruiken OLED schermen nu niet schokkend meer dan een vergelijkbaar LED verlicht LCD scherm.

[gjmi]

Of een andere techniek. Oled is nog steeds gevoelig voor inbranden en dus niet geschikt voor alle display toepassingen.

[Dark_man]

LCD was in de kinderschoenen ook heel slecht, had extreem slechte kijkhoeken, zeer hoge refreshrates, hele slechte helderheid, hoog stroomverbruik, zeer slecht contrast en zeer slechte kleurweergave.

Dat is al enorm verbeterd, OLED is in potentie een veel betere techniek omdat het vanaf het begin al bepaalde voordelen heeft zoals zeer sneller refreshrates en zeer grote kijkhoeken en contrast.

Dus als OLED dezelfde ontwikkelingen doormaakt als LCD kan het op vrijwel alle punten de beste techniek worden.

[digiben]

dan is er al weer wat nieuws

[Dark_man]

Zo snel gaat dat niet hoor.

Kijk alleen al hoe lang LCD nu meegaat en OLED heeft de markt nog niet eens overgenomen van LCD.

[digiben]

Nou soms weet je het niet ....techniek kan snel gaan.
Al maakt het me niet zoveel uit geniet nu al van me samsung(65 8000) led/lcd ...na jaren eerst plasma.
Alle bij hebben ze voor en nadelen...zelfde is met oled en led/lcd.
Ik vind laten ze eerst eens lekker nu beginnen met alles in 4 k en of 8k ..als al die brakke tv kanalen... die je nu hebt

[Dark_man]

Ik neem aan dat je nu geniet van die LED/LCD omdat dat 4K is en je 4K content kijkt?

Want plasma heeft een betere beeldkwaliteit dan LED/LCD.

[digiben]

Hoi Ik kijk zeker ook 4k .
Maar vergelijk met me plasma is er zeker....alleen geniet nu evenveel als met de plasma hoor.
Sommige(meerdere) dingen zijn weer mooier(beter) op de led/lcd als op de plasma.
Nu moet ik wel zeggen me oude plasma(samsung) was ook al dik 10 jaar en was aan vervanging toe
Heb totaal geen spijt met aanschaf...eerst lg geprobeerd en daarna weer omgeruild naar samsung 8000 (eerst 7000)
Het is beetje instellen en spelen...maar zie en heb meer voor delen als nadelen

[Verwijderd]

Microled komt eraan als opvolger. Google maar eens. Valt me op dat Tweakers hier nooit iets over plaats. Grote concurrent voor OLED.

[Durandal]

Je kan ook zelf de link bij je post plaatsen en iedereen de moeite besparen.

[SolarGlider]

Maar dat is nog zeker 3 tot 5 jaar weg. Tegen die tijd kunnen ze mss iets soortgelijks toepassen op oled. Het gaat afwachten worden.

[Juantinto]

Zeker. Beamers kunnen hier ook van genieten, dunkt me.

[Technomania]

Ik zie voordelen voor LED-lampen in de kassenbouw (of moestuintje op zolder)

Techniek is er al alleen lichtopbrengst was nog niet voldoende

[supersnathan94]

Bij kassen is de warmte en kleurtemperatuur toch ook van belang?

[Xfade]

Je zou denken dat een kas zelf wel warm wordt in de zon Ook lijkt me dat kleurtemperatuur in te stellen is.

[goarilla]

Niet als we indoor (voor)telen of lichtassistentie nodig hebben. Producenten van LED-lampen voor horticulturisten of professionele serres hebben wel al een tijde gevonden welk spectrum beter is voor de vegetatieve (groei) fase en welke niet. Je krijgt dan ook vaak een combinatie van witte en blauwe, UV LEDs voor de groei, aangevuld met rode en occasioneel IR LEDs voor de bloei en vruchtdragende fases.

[supersnathan94]

Het punt met LED is meer dat xe niet zo gelijkmatig op verschillende frequenties licht uitstralen maar op bepaalde intervallen. Dus naast kleurtemperatuur is de frequentie van het licht belangrijk.

Als mens kunnen wij alleen de drie primaire kleuren zien met een bepaalde overlap en door de intensiteit van de drie kleuren afzonderlijk te bekijken kunnen je hersenen tussenliggende kleuren maken.

Bij foto syntese heb je een heel specfieke frequentie nodig die je niet kunt "mengen" door het gemiddelde van twee kleuren te pakken.

Dit heeft te maken met de manier waarop fotosynthese werkt. Namelijk door een foton met een specifieke hoeveelheid energie (die voortkomt uit de frequentie) die tegen een elektron aanbotst waardoor het atoom in aangeslagen toestand raakt waardoor het atoom kan reageren met andere atomen en moleculen. Doordat deze frequentie vrij specifiek is kan je er niet ver vanaf zitten want dan gebeurt er gewoon niets.

Doordat gloeilampen eigenlijk in het volledige spectrum licht uitzenden zit de goede frequentie er eigenlijk altijd tussen.

Je moet dus een LEDlamp ontwikkelen die exact de juiste frequentie kan uitstralen (net als bij een laser die op exact 1 golflengte licht uitstraald) met een klein beetje marge.

Vergelijk het met een TV. Van veraf zie je bijvoorbeeld een witte pixel, maar als je dichter bij komt zie je rood, groen en blauw en kun je dat op een gegeven moment niet meer samenvoegen tot wit in je hersenen. Zo ziet een plant ook ledjes die op 1 frequentie range licht uitzenden. De atomen in de plant die zorgen voor fotosynthese kunnen dat niet samenvoegen.

[BartS12]

Nou ja, dit is allemaal *ongeveer* waar. Op wat details na...

- Kleurtemperatuur is inderdaad iets anders dan de 'frequentie' (of golflengte) van het licht; maar het is wel zeer nauw gekoppeld. Het is een maat (cq getal) om aan te geven op welke 'tint wit' een bepaalde lichtbron het meeste lijkt.
- Mono-chromatisch licht, dus licht met slechts 1 frequentie = golflengte, is helemaal niet wit; het is (bijna per definitie) 1 van de kleuren van de regenboog. Zodra je 'wit' licht ziet, weet je zeker dat er fotonen van meerdere verschillende golflengtes gecombineerd worden. Bijvoorbeeld rood, groen en blauw (even afgerond, 450 + 550 + 650nm). Maar blauw + geel mag ook. Of blauw plus een breed pallet rondom 'geel'.

Dit heeft te maken met de manier waarop fotosynthese werkt. ..... Doordat deze frequentie vrij specifiek is kan je er niet ver vanaf zitten want dan gebeurt er gewoon niets.

Nou... nee. Het absorptie spectrum van bijvoorbeeld chlorofyl is vrij breed; alles tussen 400 en 500nm (='blauw') wordt in zekere mate geabsorbeerd. Zo tussen de 600-700nm ook (='rood'). Eigenlijk alles behalve groen - dat wordt weerkaatst, en daarom zien de meeste planten er ook groen uit

[supersnathan94]

Hier heb je het spectrum van de drie verschillende chlorophylen: https://www.mpsd.mpg.de/154710/zoom-1428249970.jpg

Zoals je kunt zien zijn er vrij scherpe lijnen waarop je een grens kunt zetten. Zo is al het licht tussen de 480nm en 620nm volledig nutteloos voor fotosynthese, vandaar ook dat bladeren er groen uit zien, dat licht wordt direct weerkaatst (die twee zijn overigens nauw met elkaar verbonden. Chlorophyl hoeft bijvoorbeeld niet op groen te reageren, juist omdat planten en bomen groen zijn en deze golflengte dus direct kaatsen)

- Kleurtemperatuur is inderdaad iets anders dan de 'frequentie' (of golflengte) van het licht; maar het is wel zeer nauw gekoppeld. Het is een maat (cq getal) om aan te geven op welke 'tint wit' een bepaalde lichtbron het meeste lijkt.
- Mono-chromatisch licht, dus licht met slechts 1 frequentie = golflengte, is helemaal niet wit; het is (bijna per definitie) 1 van de kleuren van de regenboog. Zodra je 'wit' licht ziet, weet je zeker dat er fotonen van meerdere verschillende golflengtes gecombineerd worden. Bijvoorbeeld rood, groen en blauw (even afgerond, 450 + 550 + 650nm). Maar blauw + geel mag ook. Of blauw plus een breed pallet rondom 'geel'.

Dat zeg ik. Wit licht van een TV is gewoon de combinatie van Rood, Groen en Blauw licht in een specifieke verhouding. wit licht bestaat dan ook niet als een enkele frequentie. Het licht in kassen heeft een lage kleur temperatuur en is daardoor gelig oranje. Laat dit nu net het spectrum zijn tussen 600 en 650nm (en dus goed voor activatie van Chlorophyl b). Het probleem is echter dat eigenlijk helemaal geen efficiënt stuk van het spectrum is. Gloeilampen zijn hier echter heel goed in (2700 K). Daarom stappen telers tegenwoordig ook over naar speciale Led lampen die een combinatie hebben van licht blauwe leds (450nm) en witte leds met een temperatuur van 6500K (koel wit).

zie ook: https://www.kweekotheek.n...weeklamp/groeilampen.html en https://atexlichtblog.fil...leurtemperatuur.jpg?w=860

[Reactie gewijzigd door supersnathan94 op 31 juli 2024 13:57]

[Waah]

Kleur is vooral het probleem met LED-lampen in plantengroei. Iets waar de aquariumwereld ook vaak tegenaan loopt. Normaal licht heeft alle kleuren wel in zich, en dat maakt het dat planten alle lichtkleuren wel krijgen. Maar dat is lastiger met LED. Al zou je voor kassenbouw wel verwachten dat ze daar speciale lampen voor kunnen maken....

[Verwijderd]

Een plant heeft echt niet alle kleuren licht nodig om goed te groeien. Het gaat om het aantal fotonen dat een plant ontvangt (gewogen naar efficiëntie van omzetting afhankelijk van de golflengte).
Daarnaast, juist met LED-verlichting is het makkelijker om te sturen op de sterke aanwezigheid van bepaalde golflengtes. En er bestaan dan ook speciale LED-lampen voor de glastuinbouw.

Verder lezen?

[Waah]

Het gaat dus niet om het aantal fotonen, maar het aantal fotonen dat zich in de juiste golflengte bevind. Dat KAN met led-verlichting inderdaad. Maar omdat het een range is (en planten vaak meerdere ranges nodig hebben) is dat met LED lastiger omdat die vaak 1 kleur kunnen uitsturen, en geen range.

De oplossing is vaak meerdere kleuren leds. Maar dat is lang niet altijd zuiniger. Zo is voor aquaria ook LED beschikbaar. Maar als je dezelfde plantengroei wilt bereiken is de besparing tov t5 TL niet heel groot. De investering is dat wel.

Maar het kan inderdaad al. Maar als de besparing echt heel groot was geweest was de glastuinbouw al massaal overgestapt. Maar het komt er zeker aan. En deze techniek (omdat het meer lichtopbrengst uit LED haalt) kan daar zeker aan bijdragen!

[Reactie gewijzigd door Waah op 31 juli 2024 13:57]

[pmeter]

Dat is niet helemaal waar. De tijd dat wit led-licht alleen werd gemaakt door drie kleurenleds te combineren te voorbij. Moderne witte leds bestaan veelal uit een energiezuinige blauwe led, voorzien van een fosforlaag dat de beperkte frequentierange van de blauwe led omzet naar een breed spectrum. Zie bijvoorbeeld deze diagram.

Er bestaan inderdaad ledsystemen die een gelijkmatiger range uitstralen door leds van meerdere kleuren met verschillende typen fosfor te gebruiken, maar ook zonder die truc zenden moderne witte leds een brede range aan licht uit.

[Reactie gewijzigd door pmeter op 31 juli 2024 13:57]

[Technomania]

Dat kleur belangrijk was wist ik. Maar dat was al redelijk onder controle.
http://www.lighting.phili...ten/horticulture/products

[Lednov]

Er valt met LED prima te kweken. En eigenlijk zijn er véél betere resultaten te behalen onder LED dan onder de ouderwetse HPS kweeklamp.

Veel hobbykwekers zijn al overgestapt op LED. Ik zelf al een twee jaar geleden.
Voordelen zijn betere opbrengsten (voor de kenners, over de gram per Watt)
op langere termijn (veel) goedkoper. Zowel in aanschaf en afschrijving als in gebruik.
Ik heb het hier wel over zelfbouwarmaturen. Veel kant en klaar systemen zijn gewoon compleet waardeloos en als je dat koopt ben je vooral veel geld kwijt. Nu zijn er wel armaturen die wel voldoen, veelal is dat gebaseerd op zelfbouw modellen.

Growmau5 heeft een goede uitleg staan over hoe en wat(t). Moeite waard om eens te bekijken.

[mutley69]

Ah Gallium - zo giftig als de pest - hoera...

[mjz2cool]

wat is daar mis mee? het wordt al gebruikt, dus dat veranderd niet

[Waah]

Oh shit daar is die vervelende collega weer...
*cloack mode activated*

Ik kan het me nog niet echt voorstellen... hoe dat zou werken. Maar als dat zou lukken zou het wel heel gaaf zijn. Het moet natuurlijk weer niet TE goed werken, maar ik zie al windmolens voor mij die grotendeels onzichtbaar zijn.

[Trithereon]

Moet je Harry Potter kijken zoiets zal het zijn denk ik haha

[Thedr]

Oh shit daar is die vervelende collega weer...
*cloack mode activated*

Ik kan het me nog niet echt voorstellen... hoe dat zou werken. Maar als dat zou lukken zou het wel heel gaaf zijn. Het moet natuurlijk weer niet TE goed werken, maar ik zie al windmolens voor mij die grotendeels onzichtbaar zijn.

Ik vrees dat die (deels) onzichtbare windmolens niet in goede aarde gaan vallen bij de gevleugelde groep aardklootbewoners... Voor mensen misschien wel een oplossing, hoewel piloten er misschien ook wel een probleem mee zouden kunnen hebben.