Eine Forschungsgruppe unter der Leitung des Nobelpreisträgers 2014, Hiroshi Amano, am Institut für Materialien und Systeme für Nachhaltigkeit (IMaSS) der Nagoya-Universität in Zentraljapan hat in Zusammenarbeit mit der Asahi Kasei Corporation erfolgreich die weltweit erste Dauerstrich-Laserung einer Tiefe bei Raumtemperatur durchgeführt -ultraviolette Laserdiode (Wellenlängen bis in den UV-C-Bereich).
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Angewandte Physik Briefestellen einen Schritt in Richtung der breiten Anwendung einer Technologie dar, die das Potenzial für eine breite Palette von Anwendungen hat, einschließlich Sterilisation und Medizin.
Seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren und nach Jahrzehnten der Forschung und Entwicklung wurde schließlich die erfolgreiche Kommerzialisierung von Laserdioden (LDs) für eine Reihe von Anwendungen mit Wellenlängen von Infrarot bis Blauviolett erreicht. Beispiele für diese Technologie sind optische Kommunikationsgeräte mit Infrarot-LDs und Blu-ray-Discs mit blau-violetten LDs.
Trotz der Bemühungen von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt konnte jedoch niemand tief-ultraviolette LDs entwickeln. Ein entscheidender Durchbruch gelang erst nach 2007 mit dem Aufkommen der Technologie zur Herstellung von Aluminiumnitrid (AlN)-Substraten, einem idealen Material zum Aufwachsen von Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN)-Filmen für UV-lichtemittierende Geräte.
Demonstration von Dauerstrichlasern bei Raumtemperatur. Kredit: 2022 Asahi Kasei Corp. und Universität Nagoya
Ab 2017 begann die Forschungsgruppe von Professor Amano in Zusammenarbeit mit Asahi Kasei, dem Unternehmen, das 2-Zoll-AlN-Substrate bereitstellte, mit der Entwicklung eines tief-ultravioletten LD. Zunächst war eine ausreichende Strominjektion in das Gerät zu schwierig, was die weitere Entwicklung von UV-C-Laserdioden verhinderte.
Doch 2019 löste die Forschungsgruppe dieses Problem erfolgreich mit einer polarisationsinduzierten Dotierungstechnik. Zum ersten Mal stellten sie eine kurzwellige UV-sichtbare (UV-C) LD her, die mit kurzen Stromimpulsen arbeitet. Die für diese Stromimpulse erforderliche Eingangsleistung betrug jedoch 5,2 W. Dies war zu hoch für Dauerstrich-Laserbetrieb, da die Leistung dazu führen würde, dass sich die Diode schnell aufheizt und das Lasern stoppt.
Aber jetzt haben Forscher der Universität Nagoya und Asahi Kasei die Struktur des Geräts selbst umgestaltet und die für den Betrieb des Lasers erforderliche Antriebsleistung auf nur 1,1 W bei Raumtemperatur reduziert. Es wurde festgestellt, dass frühere Vorrichtungen aufgrund der Unfähigkeit effektiver Strompfade aufgrund von Kristalldefekten, die am Laserstreifen auftreten, eine hohe Betriebsleistung erfordern. Aber in dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass die starke Kristallspannung diese Defekte erzeugt.
Durch geschicktes Zuschneiden der Seitenwände des Laserstreifens unterdrückten sie die Defekte, erreichten einen effizienten Stromfluss zum aktiven Bereich der Laserdiode und reduzierten die Betriebsleistung.
Die Kooperationsplattform der Universität Nagoya mit dem Namen Center for Integrated Research of Future Electronics, Transformative Electronics Facilities (C-TEFs) ermöglichte die Entwicklung der neuen UV-Lasertechnologie. Im Rahmen von C-TEFs teilen sich Forscher von Partnern wie Asahi Kasei den Zugang zu hochmodernen Einrichtungen auf dem Campus der Universität Nagoya und stellen ihnen die Menschen und Werkzeuge zur Verfügung, die zum Bau reproduzierbarer hochwertiger Geräte erforderlich sind.
Zhang Ziyi, ein Vertreter des Forschungsteams, war in seinem zweiten Jahr bei Asahi Kasei, als er an der Gründung des Projekts beteiligt war. „Ich wollte etwas Neues machen“, sagte er in einem Interview. „Damals dachten alle, die Deep-Ultraviolett-Laserdiode sei eine Unmöglichkeit, aber Professor Amano sagte mir: ‚Wir haben es bis zum blauen Laser geschafft, jetzt ist die Zeit für Ultraviolett‘.“
Diese Forschung ist ein Meilenstein in der praktischen Anwendung und Entwicklung von Halbleiterlasern in allen Wellenlängenbereichen. In Zukunft könnten UV-C-LDs im Gesundheitswesen, bei der Virenerkennung, Partikelmessung, Gasanalyse und hochauflösenden Laserbearbeitung eingesetzt werden.
„Seine Anwendung in der Sterilisationstechnologie könnte bahnbrechend sein“, sagte Zhang. „Im Gegensatz zu den aktuellen LED-Sterilisationsmethoden, die zeitineffizient sind, können Laser große Flächen in kurzer Zeit und über große Entfernungen desinfizieren.“ Diese Technologie könnte insbesondere Chirurgen und Krankenschwestern zugute kommen, die sterilisierte Operationssäle und Leitungswasser benötigen.
Über die erfolgreichen Ergebnisse wurde in zwei Veröffentlichungen berichtet Angewandte Physik Briefe.
Mehr Informationen:
Hiroshi Amano et al, Lokale Spannungskontrolle zur Unterdrückung der Versetzungserzeugung für pseudomorph gewachsene AlGaN-UV-C-Laserdioden, Angewandte Physik Briefe (2022). DOI: 10.1063/5.0124512
Hiroshi Amano et al, Wichtige temperaturabhängige Eigenschaften von AlGaN-basierten UV-C-Laserdioden und Demonstration von Dauerstrichlasern bei Raumtemperatur, Angewandte Physik Briefe (2022). DOI: 10.1063/5.0124480