امروزه فناوری نانو رشد و توسعه قابلتوجهی یافته و با ورود به عرصه علوم مختلف، منشأ پیشرفتهای چشمگیری شده است. بسیاری چالشها در عرصه دانش الکترونیک نیز با استفاده از فناوری نانو حل شده و یا قابلحل میباشند. در این میان یکی از بخشهای صنعت الکترونیک که فناوری نانو میتواند تأثیر زیادی در آن داشته باشد، بحث طراحی و تولید دیودهای نورافشان است. دیودهای نورافشان یکی از ساختارهای پایه صنعت الکترونیک هستند که در ساخت همه ادوات الکترونیک نوری از چراغهای سیگنال ساده گرفته تا نسل جدید و پیشرفته نمایشگرهای تلویزیونی کاربرد دارند. فناوری نانو با حل چالشهای موجود در زمینه دیود نورافشان می تواند زمینه گسترش بیش از پیش آن را در کاربردهای مختلف علمی، صنعتی، مخابراتی و حتی در زندگی روزمره فراهم آورد.
1 – تعریف دیود نورافشان
دیود نورافشان یا LED[1] همانطور که از نامش پیداست نوع خاصی از دیود است که قادر است از خود نور ساطع کند.LED همانند یک دیود معمولی دارای خاصیت یکسو کنندگی[2] جریان است، یعنی در صورت اعمال ولتاژ موافق جریان را عبور داده و در صورت اعمال ولتاژ معکوس از عبور جریان جلوگیری میکند. وجه تمایز LED و یک دیود معمولی آن است که LED میتواند در زمان عبور جریان از خود نور ساطع کند.
تصویر 1: یک نمونه LED معمولی
2 – ساختار و نحوه کار دیود نورافشان
دیود از قرار گرفتن یک قطعه نیمههادی نوع n[3] در کنار یک قطعه نیمههادی نوع p[4] تشکیل میشود. چنین ساختاری را با عنوان پیوند p-n میشناسیم که جزء اولیه و اساسی اکثر ادوات نیمههادی میباشد. بعد از اتصال دو قطعه نیمههادی و در حالت تعادل گرمایی[5] ناحیهای خالی از حاملهای جریان در محل اتصال شکل میگیرد که به آن ناحیه تخلیه[6] میگوییم. وجود این ناحیه تخلیه باعث میشود که جریان تنها در یک جهت از دیود عبور کند.
در دیودها در زمان هدایت، حفرهها از نیمههادی نوع p و الکترونها از نیمههادی نوع n در محل پیوند با یکدیگر بازترکیب میشوند و انرژی آزاد میکنند. مقدار انرژی آزادشده برابر شکاف انرژی موجود بین نوار هدایت و نوار ظرفیت نیمههادی مورد استفاده است. در دیودهای عادی شکاف انرژی معمولاً غیرمستقیم است و از همین رو انرژی در قالب ارتعاشات شبکه بلور آزاد میشود. ولی در دیودهای نورافشان شکاف انرژی مستقیم است و به همین دلیل انرژی در قالب فوتون آزاد میشود. فوتون آزادشده ممکن است قابل رؤیت باشد و یا در ناحیه فروسرخ یا فرابنفش قرار بگیرد.
3 – دیود نورافشان ارگانیک
دیود نورافشان ارگانیک یا OLED[7] نوعی از دیود نورافشان است که در آن، قسمت متشعشع، لایه باریکی از مواد نیمههادی ارگانیک است که در پاسخ به جریان الکتریکی از خود نور ساطع میکند. این لایه نیمههادی ارگانیک بین دو الکترود قرار میگیرد که حداقل یکی از آنها شفاف است. OLEDها معمولاً در صفحات نمایش رایانه، تلویزیونها، صفحات نمایش دستگاههای قابلحمل مثل گوشیهای تلفن همراه و رایانههای همراه مورداستفاده قرار میگیرد]7[.
تصویر 2: یک دیود نورافشان ارگانیک قابلانعطاف
4 – کاربرد دیود نورافشان
5-1- نمایش سیگنال
دیودهای نورافشان در مدارهای الکترونیکی برای نمایش وضعیت مدار استفاده میشوند. همچنین از کنار هم قرار دادن دیودهای نورافشان میتوان ساختارهایی مانند نمایشگرهای هفتقسمتی و نمایشگرهای ماتریسی ساخت که انعطاف بیشتری برای نمایش اطلاعات دارند. دیودهای نورافشان امروزه به شکل وسیعی در چراغهای راهنمایی و چراغهای سیگنال خودروها نیز به کار میرود]4[.
تصویر 3: الف) یک نمایشگر هفتقسمتی ب) یک نمایشگر ماتریسی ج) چراغ راهنمایی با استفاده از دیود نورافشان
5-2- تأمین روشنایی
با تولید و توسعه فناوری دیودهای نورافشان توان بالا[8] استفاده از دیودهای نورافشان در کاربردهای تأمین روشنایی نیز امکانپذیر شد. امروزه دیودهای نورافشان در بسیاری کاربردها در زمینه تأمین روشنایی مورداستفاده قرار میگیرند که برخی از آنها به قرار زیر میباشند.
- چراغهای روشنایی معابر
- روشنایی هواپیماها و فرودگاهها
- تأمین نور پسزمینه صفحات نمایش LCD[9]
- فلاش دوربین فیلمبرداری
- چراغقوههای دستی
- تأمین روشنایی معادن
- دیودهای نورافشان فروسرخ برای کاربردهای دید در شب
تصویر 4: استفاده از LED در یک نمونه چراغ روشنایی]12[
5-3- کاربردهای ارتباطی و مخابراتی
یکی از اولین کاربردهای دیودهای نورافشان که هنوز نیز متداول است، استفاده از دیودهای فروسرخ در کنترل از راه دور دستگاههای صوتی و تصویری است. البته فرستنده و گیرندههای فروسرخ مبتنی بر دیودهای نورافشان تا مدتها واسط[10] مناسبی برای انتقال اطلاعات بین رایانهها و دستگاههای رایانهای نیز بودند که این کاربرد با معرفی سامانههای جدید و پرسرعت امروزی منسوخ شد.
دیودهای نورافشان (در کنار لیزرهای حالتجامد) بهعنوان منبع نور در ارتباطات فیبر نوری[11] نیز مورداستفاده قرار میگیرند. این کاربرد محدوده وسیعی از انتقال صوت در دستگاههای صوتی تا لینکهای با پهنای باند بسیار بالا که بدنه شبکه جهانی اینترنت را تشکیل میدهند را شامل میشود.
5-4- لامپهای کممصرف
در سال 2009 یک لامپ LED با توان مصرفی 13 وات بین 450 تا 650 لومن[12] تولید میکرد که تقریباً بهاندازه نور تولیدشده توسط یک لامپ 40 وات معمولی است]5[. در سال 2011 با بهینهتر شدن دیودهای نورافشان مورداستفاده همین میزان نور تنها با توان مصرفی 6 وات قابل دسترس شد. لامپهای LED همچنین تا 50 برابر بیشتر از لامپهای رشتهای معمولی عمر میکنند]4[.
تصویر 5: چند نمونه لامپ کممصرف LED
5 – چالشهای موجود در دیودهای نورافشان
یکی از چالشهای موجود در زمینه تولید و بهکارگیری دیودهای نورانی بحث تولید طیف نورانی دلخواه است. دیودهای نورانی مانند انواع دیگر دیودها از یک پیوند p-n تشکیلشدهاند. همانطور که اشاره گردید انرژی فوتون آزادشده در دیود و به تبع آن طولموج فوتون مزبور، وابسته به شکاف انرژی[13] پیوند p-n است بنابراین برای تولید نور با طیف رنگی خاص باید فوتون تولیدشده طولموج مربوط به همان طیف رنگی را داشته باشد. لذا با توجه به (رابطه 1) که نسبت انرژی و طولموج را بیان میکند، میتوان نتیجه گرفت برای تولید طیف رنگی دلخواه باید فوتون آزادشده مقدار مشخصی انرژی داشته باشد که این به معنای تنظیم دقیق شکاف انرژی پیوند p-n است.
(رابطه 1)
h: ثابت پلانک[14] برابر 6.63 × 10-34 J.s
c: سرعت نور برابر 3×108 m/s
یکی از اشکالات این فرآیند این است که در بسیاری موارد، تنظیم دقیق شکاف انرژی پیوند p-n برای تولید موج دلخواه امکانپذیر نیست (با توجه به محدودیتهای ساختاری نیمههادیهای مورداستفاده در پیوند). اشکال اساسی دیگر در این زمینه این است که اصولاً در یک دیود نورانی معمولی همه فوتونهای آزادشده دارای انرژی و در نتیجه طولموج یکسانی نیستند و در نتیجه نور ساطعشده دارای مجموعهای از فوتونها با طولموجهایی نزدیک به طولموج هدف هستند. این مسئله خصوصاً در زمینه ارتباطات فیبر نوری مطلوب نیست.
6 – فناوری نانو در دیود نورافشان
راهحل فناوری نانو برای چالشهای مورداشاره، استفاده از نقاط کوانتومی[15] است. نقاط کوانتومی نانوکریستال[16] های نیمههادی هستند که دارای خواص اپتیکی منحصربهفردی میباشند]8[. قطر نقاط کوانتومی بین 2 تا 10 نانومتر متغیر است. ساختار نقاط کوانتومی بهطورمعمول بهصورت پوسته-هسته میباشد. هسته معمولاً از ترکیبهای نیمههادی [17]II-IV نظیر [18]CdSe، [19]CdS و CdTe[20] یا نیمههادیهای [21]III-V مثل InP[22]، InAs[23] یا نیمههادیهای IV-VI[24] مثل [25]PbSe تشکیل میشود. پوسته نیز معمولاً از جنس سولفید روی (ZnS[26]) انتخاب میشود]9[.
7-1- تشعشع[27] در نقاط کوانتومی
الکترونها که بهصورت معمول در لایه ظرفیت قرار میگیرند، با جذب انرژی به لایه هدایت منتقل میشوند و یک حفره در لایه ظرفیت بهجای میگذارند. الکترونهای موجود در لایه هدایت ناپایدار هستند و باید مجدداً به لایه ظرفیت برگردند. الکترونها ضمن بازگشت به لایه ظرفیت با حفرهها بازترکیب شده و انرژی آزاد میکنند. انرژی لازم برای برانگیختن الکترون، باانرژی آزادشده هنگام بازترکیب یکسان و برابر با شکاف انرژی بین لایه هدایت و لایه ظرفیت است.
مقدار شکاف انرژی بسته به نوع ترکیب نیمههادی متفاوت است. نقاط کوانتومی نیز با اندازههای مختلف شکاف انرژی وجود دارند. هر چه اندازه نقاط کوانتومی کوچکتر شود شکاف انرژی آنها بزرگتر میگردد. در نتیجه برای برانگیخته کردن الکترون در نقاط کوانتومی کوچکتر به انرژی بیشتری (نور با طولموج کوتاهتر) نیاز است و برعکس.
محدوده نور ساطعشده از نقاط کوانتومی نور مرئی و فروسرخ را شامل میشود. طیف نور تولیدشده در دیودهای نورانی معمولی وابسته به جنس و میزان ناخالصیهای نواحی p و n دیود است. ولی در نقاط کوانتومی انرژی آزادشده و به تبع آن طولموج و رنگ نور تولیدشده وابسته به ابعاد نقطه کوانتومی است. این تفاوت اساسی اجازه میدهد که نقاط کوانتومی توانایی تولید هر طیف نوری را از یک ماده مشخص داشته باشند.
تصویر 6: طیف نور مرئی ساطعشده از نقاط کوانتومی
دیودهای نورانی مبتنی بر نقاط کوانتومی یا QD-LED ها به دلیل خواص منحصربهفرد نقاط کوانتومی که به آنها اشاره شد، قابلیت تولید هر طیف نوری را دارند. بهعلاوه طیف نوری ساطعشده از نقاط کوانتومی پهنای بهمراتب کمتری دارد. بهاینترتیب در استفاده از این دیودها، انتخابهای بیشتری برای تولید رنگ وجود دارد و ارائه رنگ[28] ها بهتر خواهد بود.
7-2- تحریک[29] نقاط کوانتومی
گفتیم که الکترونها با گرفتن انرژی از نوار ظرفیت به نوار هدایت میروند و به دلیل ناپایداری در نوار هدایت به نوار ظرفیت برمیگردند و فوتون آزاد میکنند. پس لازمه انتشار فوتون تحریک الکترونها برای انتقال به نوار هدایت است. در حال حاضر دو روش برای تحریک نقاط کوانتومی وجود دارد. روش اول استفاده از یک دیود نورانی معمولی بهعنوان منشأ تحریک برای نقاط کوانتومی است. بهعنوانمثال محققان روشی را ابداع کرد که در آن پوشش نقاط کوانتومی روی یک دیود نورانی آبی در پاسخ به نور ساطعشده از دیود نور سفید مایل به زرد (مشابه نور لامپهای رشتهای) از خود منتشر میکند]10[. در سال 2011 دانشمندان شرکت PlasmaChem در آلمان موفق به ساخت نقاط کوانتومی برای کاربرد در دیودهای نورانی شدند و بر پایه آنها مبدلهای نوری[30] تولید کردند که قادر به تبدیل نور آبی به هر رنگی دلخواهی میباشد]11[.
نوع دیگر تحریک نقاط کوانتومی، تحریک الکتریکی[31] است که بسیار شبیه شیوه مورداستفاده در OLED است. در این روش، لایهای از نقاط کوانتومی در بین دو لایه منتقلکننده الکترون[32] و منتقلکننده حفره[33] محصور میشود. اعمال میدان الکتریکی به دو سر این ساختار سبب حرکت الکترونها و حفرهها به درون لایه نقاط کوانتومی و بازترکیب در آنجا میشود (تصویر 7). انرژی حاصل از بازترکیب باعث تحریک نقاط کوانتومی خواهد شد. این روش عموماً برای طراحی و ساخت صفحات نمایش نقاط کوانتومی موردمطالعه قرار میگیرد.
تصویر 7: ساختار یک QDLED با تحریک الکتریکی]13[
7-3- تولیدکنندگان نقاط کوانتومی
برخی شرکتهای خارجی که در زمینه نقاط کوانتومی و محصولات وابسته فعالیت دارند در جدول زیر آمدهاند. متأسفانه در کشور ما کار تولیدی در این زمینه صورت نمیگیرد.
| شرکت سازنده | کشور |
| Attonuclei | فرانسه |
| CAN GmbH | آلمان |
| Mknano | کانادا |
| NanoAxis | ایالاتمتحده |
| Nanoco Technologies Limited | انگلستان |
| Nanosys | ایالاتمتحده |
| NN-Labs | ایالاتمتحده |
| Ocean Nano Tech | ایالاتمتحده |
| Quantum Materials Corp. | ایالاتمتحده |
| Reinste Nano Venture | هندوستان |
| Sigma-Aldrich | ایالاتمتحده |
7-4- برخی دستاوردها در زمینه استفاده از نقاط کوانتومی در ساخت دیود نورافشان
7-4-1- دیودهای نورافشان مبتنی بر نقاط کوانتومی
همانطور که در بالا گفته شد با بهرهگیری از نقاط کوانتومی در ساختار دیودهای نورافشان میتوان عملکرد آنها را بهبود بخشید. یعنی دیودهای نورافشان مبتنی بر نقاط کوانتومی یا QDLED[34] مصرف انرژی کمتر و طول عمر بیشتری خواهند داشت. بهعلاوه در کاربردهایی که نیاز به تولید رنگ خاصی وجود دارد (مثل کاربرد دیود در تأمین روشنایی یا استفاده در صفحات نمایش) استفاده از QDLED میتواند راهگشا باشد.
7-4-2- QDLED عاری از کادمیم برای استفاده در لامپ
میدانیم که کادمیم جزء فلزات سنگین بوده و بهشدت سمی میباشد. از همین رو استفاده از کادمیم در بسیاری موارد مثل تولید لامپهای روشنایی با محدودیتهای شدیدی مواجه است. همانطور که گفتیم ترکیبات کادمیم در بسیاری موارد در هسته نقاط کوانتومی مورداستفاده قرار میگیرند. بهاینترتیب واضح است که استفاده از این نقاط کوانتومی در لامپها امکانپذیر نخواهد بود.
گروه نانوکو[35] اخیراً با همکاری شرکت مارل اینترنشنال[36] موفق به تولید نوع جدیدی از ادوات روشنایی LED شده است که از نقاط کوانتومی عاری از کادمیم بهره میگیرد. فناوری نقاط کوانتومی عاری از کادمیم میتواند راهکاری ساده، اثربخش و غیر سمی برای تنظیم رنگ LEDها باشد. این همکاری مشترک یک گام اساسی بهسوی وارد شدن به دوره تازهای از لامپهای LED است]12[.
7-4-3- استفاده از QDLED در صفحات نمایش و تلویزیونها
شرکت چینی تیسیال[37] با همکاری شرکت کیودی ویژن[38] اقدام به ارائه تلویزیون 65 اینچی مبتنی بر نقاط کوانتومی کرده است. این نمایشگر از عملکرد رنگی بالایی برخوردار است. این تلویزیون از فناوریColor IQTM استفاده میکند و دومین تلویزیون ساخت تیسیال است که از این فناوری بهره میگیرد.
فناوری Color IQTM به دلیل استفاده از نقاط کوانتومی، هزینه بسیار کمی دارد و میتواند قیمت تمامشده LCDها را بهشدت کاهش دهد. بر پایه اظهارات مسئولان این شرکت، فناوری نقاط کوانتومی موجب شده تا نرخ عملکرد رنگی این تلویزیونها به 110 درصد تمام طیف NTSC[39]برسد. این در حالی است که این رقم برای LCDهای موجود در بازار 60 تا 70 درصد است]13[.
گفتنی است علاوه بر تیسیال سایر شرکتهای سازنده صفحات نمایش و تلویزیون نیز بهتازگی شروع به استفاده تجاری از نقاط کوانتومی در محصولات خود کردهاند. بهعنوان نمونه شرکت سامسونگ[40] اخیراً نسل جدیدی از تلویزیونهای مبتنی بر نقاط کوانتومی عاری از کادمیم خود را روانه بازار کرده است]14[. شرکت الجی[41] نیز با استفاده از فناوری نقاط کوانتومی موفق شده است، میزان بازتولید رنگ را در محصولات خود تا 30 درصد افزایش دهد]15[.
7 – جمعبندی
با رشد و توسعه فناوری نانو و معرفی نقاط کوانتومی این فرصت ایجادشده که برخی چالشهای موجود در زمینه دیودهای نورافشان حل شده و زمینه توسعه کاربردهای دیودهای نورافشان فراهم آمده است. همانطور که در این گزارش اشاره شد نقاط کوانتومی به دلیل خواص نوری منحصربهفرد این قابلیت را دارند که در دیودهای نورافشان متداول به کار گرفتهشده و باعث بهبود عملکرد آنها شوند. همچنین نقاط کوانتومی را میتوان بهصورت مستقل در تولید نسل جدید دیودهای نورافشان با عملکرد بهینهتر به کار برد. بهاینترتیب میتوان گفت فرصتهای جدید در صنعت دیودهای نورافشان با استفاده از فناوری نانو و نقاط کوانتومی ایجادشده و یا در حال شکلگیری است.
مراجع
[1] Kasap, S., & Sinha, R. (2013). Optoelectronics and photonics: Principles and practices (2nd Ed.). Harlow, Essex: Pearson Education.
[2] Direct and Indirect Band Gap Semiconductors. (n.d.). Retrieved from http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconductors/direct.php
[3] Direct and indirect band gaps. (n.d.). Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_and_indirect_band_gaps
[4] Light-emitting diode. (n.d.). Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
[5] DOE Solid-State Lighting CALiPER Program Summary of Results: Round 7 of Product Testing. (n.d.). Retrieved September 1, 2015, from http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_round_7_summary_final.pdf
[6] LED lamp. (n.d.). Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/LED_lamp
[7] OLED. (n.d.). Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/OLED
[8] Quantum-dot LED may be screen of choice for future electronics. (2012, December 18). Retrieved from http://newsoffice.mit.edu/2002/dot
[9] Quantum Dots: Heralding a Brighter Future for Clinical Diagnostics. (n.d.). Retrieved from http://www.medscape.com/viewarticle/776647_2
[10] Manna, N., & Saha, A. (2011). Optoelectronics and Optical Communication. New Delhi, India: University Science Press.
[11] Quantum Dots: True green and artificial sun light. (2012). Retrieved from http://www.plasmachem.com/led-true-green.html
[12] LED Lighting To Cut Energy Use While Retaining Adequate Lighting. (2013, December 16). Retrieved from http://renewablerevolution.createaforum.com/renewables/led-lighting-to-cut-energy-use-while-retaining-adequate-lighting/
[13] Lim, J., Bae, W., Kwak, J., Lee, S., Lee, C., & Char, K. (2012). Perspective on synthesis, device structures, and printing processes for quantum dot displays. Optical Materials Express Opt. Mater. Express, 2(5), 594-628. doi:10.1364/OME.2.000594
]14[ تولید تجاری LED حاوی نقاط کوانتومی عاری از کادمیمhttp://news.nano.ir/48920/1
]15[ رونمایی از تلویزیون 65 اینچی مبتنی بر نقاط کوانتومی http://news.nano.ir/50406/1
]16[ تلویزیونهای سامسونگ مدل 2015 حاوی نقاط کوانتومی http://news.nano.ir/49212/1
]17[ رونمایی الجی از سری جدید تلوزیونهای مبتنی بر نقاط کوانتومی http://news.nano.ir/48590/1
[1] Light Emitting Diode
[2] rectifying
[3] n-type semiconductor
[4] p-type semiconductor
[5] thermal equilibrium
[6] depletion region
[7] Organic Light Emitting Diode
[8] high power
[9] Liquid Crystal Display
[10] interface
[11] Fiber Optic Communication
[12] lumen
[13] band gap
[14] Planck
[15] quantum dots
[16] nanocrystal
[17] نیمههادیهای II-VI دستهای از نیمههادیهای مرکب هستند که از ترکیب عناصر گروههای دو و شش جدول تناوبی ایجاد میشوند.
[18] Cadmium selenide
[19] Cadmium sulfide
[20] Cadmium telluride
[21] نیمههادیهای III-V دستهای از نیمههادیهای مرکب هستند که از ترکیب عناصر گروههای سه و پنج جدول تناوبی ایجاد میشوند.
[22] Indium Phosphide
[23] Indium Arsenide
[24] نیمههادیهای IV-VI دستهای از نیمههادیهای مرکب هستند که از ترکیب عناصر گروههای چهار و شش جدول تناوبی ایجاد میشوند.
[25] Lead Selenide
[26] Zinc Sulfide
[27] emission
[28] color rendering
[29] excitation
[30] light convertor
[31] electrical excitation
[32] electron-transporting
[33] hole-transporting
[34] Quantum Dot Light Emitting Diode
[35] Nanoco Group
[36] Marl International
[37] TCL
[38] QD Vision
[39] National Television System Committee
[40] Samsung
[41] LG
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- گروه توسعه و ترویج فناوری نانو در صنعت برق و انرژی
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
