Weiße LEDs könnten bald von einer Alternative mit einem viel besseren Orientierungssinn als weltweit beliebteste Lichtquelle entthront werden.
Als optische Steuerungstechnologie der nächsten Generation ist ein photonischer Kristall oder eine Nanoantenne eine zweidimensionale Struktur, in der Partikel in Nanogröße periodisch auf einem Substrat angeordnet sind. Durch die Kombination einer Nanoantenne mit einer Phosphorplatte wird bei Bestrahlung eine ideale Mischung aus blauem und gelbem Licht erreicht.
Weiße LEDs wurden bereits in Form von weißen Laserdioden oder LDs verbessert, die aus gelben Leuchtstoffen und blauen LDs bestehen. Während die blauen LDs stark gerichtet sind, strahlen die gelben Leuchtstoffe in alle Richtungen, was zu einer unerwünschten Farbmischung führt.
Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher Phosphorplatten in Kombination mit Nanoantennen aus metallischem Aluminium entwickelt, die eine erhöhte Photolumineszenz ermöglichen. Aluminium-Nanopartikel streuen Licht effektiv und verbessern die Lichtintensität und -richtung; Aluminium absorbiert jedoch auch Licht, wodurch die Leistung verringert wird. Dies ist ein großer Engpass, insbesondere bei Beleuchtungsanwendungen mit hoher Intensität.
Jetzt hat ein Forscherteam der Universität Kyoto eine zehnfache Verbesserung der nach vorne gerichteten Photolumineszenz erreicht, indem es Aluminium durch ein besseres Material ersetzt hat.
„Es stellt sich heraus, dass Titandioxid aufgrund seines hohen Brechungsindex und seiner geringen Lichtabsorption die bessere Wahl ist“, sagt Hauptautor Shunsuke Murai.
Obwohl die Lichtstreuungsintensität von Titanoxid anfangs der von metallischem Aluminium unterlegen schien, verwendete das Team Computersimulationen, um das optimale Nanoantennendesign zu entwickeln.
„Die neuen Nanoantennen-Leuchtstoffe sind vorteilhaft für intensiv helle und dennoch energiesparende Festkörperbeleuchtung, weil sie den Temperaturanstieg bei Bestrahlung unterdrücken können“, erklärt Murai.
„Während des Prozesses, die optimalen Abmessungen zu finden, stellten wir zu unserer Überraschung fest, dass die dünnsten Leuchtstoffe die hellste Photolumineszenz ergaben, was zeigt, wie die Vorwärtsstrahlungsintensität und die Gesamtleistung erhöht werden können.“
Der Artikel „Photoluminescence Engineering with nanoantenna phosphors“ ist am 21.12.2022 in der erschienen Zeitschrift für Materialchemie C.
Mehr Informationen:
Shunsuke Murai et al, Photolumineszenztechnik mit Nanoantennenleuchtstoffen, Zeitschrift für Materialchemie C (2022). DOI: 10.1039/D2TC03076D