紫外半導體發(fā)光二極管在化學、生物、醫(yī)學和軍事領域具有廣泛的應用，目前這種材料的內量子效率雖然可達到80%，但外量子效率只有3%左右。如今，基于壓電光電子學效應，美國佐治亞理工學院講席教授王中林帶領的課題組發(fā)明了一種新型高效紫外半導體發(fā)光二極管，在合適應用作用下外量子效率可達到7.82%，其光發(fā)射強度、注入電流能力和電光轉換效率均成倍提高。新成果發(fā)表在8月在線出版的《納米快報》上。

王中林表示，新成果還可以擴展到從紫外到紅外的整個光譜范圍內的由壓電材料制備的半導體發(fā)光二極管，它們將在發(fā)光二極管、光電池和太陽能電流、人機界面、納米機器人、微—納機電系統(tǒng)、人機交互等領域得到廣泛應用。

壓電光電子學是壓電效應、光子特性和半導體特性三相耦合的一種效應，它通過應變引起的壓電勢來調節(jié)和控制電光過程，或者反過來利用電光過程調節(jié)和控制力的作用。該效應由王中林于2009年首次發(fā)現。

王中林小組進一步把光引進壓電電子學器件，致力于開發(fā)和研究力、電和光三相耦合器件。他們發(fā)現壓電效應可優(yōu)化光電池，提高光探測器的靈敏度。而最近的研究表明壓電效應還可以顯著提高氧化鋅微納米線發(fā)光二極管的電子—空穴復合效率，從而顯著提高發(fā)光性能。這些力、電、光三相耦合的研究構成了一個全新的研究領域：壓電光電子學（piezo-phototronics）領域。據王中林介紹，力、電、光三相中的兩相耦合比如光電、力電和光力耦合效應已經獲得了人們的廣泛關注和大量研究，很多基于這些耦合效應的新型納米器件被研制出來。而三相耦合是一個遠比兩相耦合復雜的系統(tǒng)，因此有更多有趣的具有重大研究價值的效應需要人們去探索，更多的器件等待人們去開發(fā)。

研究人員將壓電光電子學效應應用于紫外半導體發(fā)光二極管性能的改造中。半導體發(fā)光二極管的光發(fā)射由載流子的注入、復合和出射效率等決定。薄膜型寬禁帶半導體制備的紫外發(fā)光器件，其內量子效應雖然可達到80%，但外量子效率只有3%左右。王中林表示，這主要是由于全反射限制的光出射效率比較低引起的。他和浙江大學的訪問學者楊青博士經過精心設計，在N型氧化鋅納米線襯底單根微納米線發(fā)光二極管中引入壓電勢，發(fā)現由壓電勢引起的界面處的能帶改變會形成載流子溝道，從而將載流子捕獲在界面附近，提高載流子的濃度和復合效率，進而提高器件外量子效率。他們制備的未加外應力的發(fā)光二極管的外量子效率達到1.84%。在固定電壓下，對器件施加0.093%的壓應力，可以使光發(fā)射強度和注入電流分別提高17倍和4倍，相應的電—光轉換效率提高4.25倍。合適應力作用下外量子效率達到7.82%，和納米線增強的復合量子阱LED效率相當，遠遠超過已報道的簡單p-n結納米線半導體光發(fā)射二極管外量子效率。

王中林表示：“我們所發(fā)明的這些氧化鋅納米器件可整合成一個自主發(fā)電、自動控制的智能納米系統(tǒng)；完全基于氧化鋅納米線，我們能創(chuàng)建具有記憶、處理和感應能力的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)所需要的電能均取自外部環(huán)境。希望有一天，人類能將納米尺度的發(fā)電機、傳感器、光電子器件和邏輯運算器件有機地集成起來，實現自驅動和自主決策的智能納米系統(tǒng)。