Demonstratorn visar de vita lysdioderna. Foto: Mikael Syväjärvi
De vita lysdioder som vi använder i dag består av en blå lysdiod av materialet galliumnitrid. Ovanpå det finns ett filter av fosfor, som gör att ljuset blir vitare. Forskningen som möjliggjorde den här sortens vita lysdioder belönades med 2014 års Nobelpris i fysik. Men en nackdel är att dessa lysdioder ofta har ett blåtonat ljus, som kan upplevas som onaturligt.
– Fosforn i traditionella vita lysdioder bryts med tiden ner av värmen som alstras när de lyser. Kiselkarbid däremot tål hög värme, och ger en beräknad livstid av lysdioden på minst 35 år. Dessutom behövs inga sällsynta jordartsmetaller i lysdioder av kiselkarbid, säger Mikael Syväjärvi, förste forskningsingenjör vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM.
Forskarna Haiyan Ou och Mikael Syväjärvi vid prototypen av vita lysdioder. Foto: Yiyu Ou, DTU
LiU-forskare inom halvledarmaterialområdet, däribland professor Rositsa Yakimova och Mikael Syväjärvi, ledde ett nordiskt projekt och utvecklade redan under åren 2010–2012 en grundteknik som patenterats för att få fram kiselkarbid som avger ljus. Forskningen bromsades sedan upp av brist på finansiering tills ett uppföljningsprojekt lett av biträdande professorn Haiyan Ou vid Danmarks tekniska universitet, DTU, fick forskningsanslag år 2015.
Sökte vitt ljus utan färgtoner
Nu presenterar teamet, med forskare från DTU, Meijo University i Japan och LiU, sitt senaste framsteg i en artikel i tidskriften Scientific Reports.
– I det första steget handlade det om att tillverka kiselkarbidmaterialet, och då visade vi att det är möjligt att göra lysdioder med varmt vitt ljus. Vårt mål i det här andra steget var att få fram ett rent vitt ljus utan färgtoner, säger Mikael Syväjärvi, som är en av medförfattarna till artikeln.
Demonstratorn visar hur en armatur med de vita lysdioderna skulle kunna se ut. Foto: Mikael Syväjärvi
För att få varmt vitt ljus från kiselkarbid tillsätter forskarna kväve och bor på ett kontrollerat sätt, så kallad dopning. Kiselkarbid är ett halvledarmaterial och dopämnena gör att elektroner rör sig mellan olika laddningar och avger ljus. Beroende på vilket ämne som tillsätts får ljuset som kiselkarbiden avger olika ljus. LiU-forskarna har tidigare visat att dopning med kväve och bor ger ett glödlampsliknande ljus mellan gult och grönt. En tillsats av kväve och aluminium i ett andra lager kan ge ljus i det blå-gröna spannet och göra ljuset rent vitt. Men det har av olika anledningar varit klurigt att få det tillvägagångssättet att fungera bra. Forskarna har nu hittat ett alternativt sätt.
– De danska forskarna har modifierat kiselkarbidens yta till en porös struktur som avger det blå-gröna ljuset. 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, säger Mikael Syväjärvi.
Kiselkarbiden i det nya samarbetet har vidareutvecklats av Valdas Jokubavicius, postdoktor vid IFM.
Workshop i september vid DTU med materialforskare och forskare som studerar hur ljus interagerar med människan. Foto: DTU
– Det behövs fortfarande flera års utveckling innan lysdioder baserade på den här tekniken kan komma ut på marknaden. Men det är jättekul att det går framåt. Det har kommit in fler forskare i det här forskningsfältet och intresserat sig för möjligheten att göra vita lysdioder av kiselkarbid, säger Mikael Syväjärvi.
Artikeln: White light emission from fluorescent SiC with porous surface, Weifang Lu, Yiyu Ou, Elisabetta Maria Fiordaliso, Yoshimi Iwasa, Valdas Jokubavicius, Mikael Syväjärvi, Satoshi Kamiyama, Paul Michael Petersen and Haiyan Ou, Scientific Reports, 7, publicerad online 29 augusti 2017, doi: 10.1038/s41598-017-10771-7
