全国十大紫外光前沿科技成果

2022-05-09 照明小编 www.gdzrlj.com
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  近两年来,紫外光科技因疫情中对新冠病毒的高效率消杀而为社会大众熟知。继而,印刷固化、钱币防伪、皮肤病治疗、植物生长光照等更多紫外光技术领域逐渐被包括照明业在内的各行各业发掘。与此同时,各科研机构的工作人员也在不断探索紫外光技术的创新应用模式,用光科技力量推动社会民生的高品质发展。

  下面,中国照明网通过对全国十大前沿紫外光科技成果的展示与盘点,为从事这项新型光技术研产销的企事业单位的发展之路带来重要的方向借鉴。

  一、高亮度、高调制带宽深紫外Micro-LED阵列

今年4月,北京大学与松山湖材料实验室、复旦大学、东莞中晶半导体有限公司联合利用阵列互联微米化技术路线,成功实现了高亮度、高调制带宽深紫外Micro-LED阵列的研制。

全国十大紫外光前沿科技成果

(a) PAP-0101与商用1020规格DUV-LED光输出功率(LOP)随注入电流密度变化情况,插图为PAP-0101点亮图片;

(b)AP-0101与商用1020规格DUV-LED电光转换效率(WPE)随注入电流密度变化情况;

(c)PAP-0101在不同输入电流密度下的-3 dB调制带宽;

(d)PAP-0101在不同信号调制深度(VPP)下的误码率-通信速率关系。

  该阵列制备过程中,研究人员发展了一种互联阵列平面Micro-LED(Paralleled-arrayed planar Micro-LED, PAP-μLED)的器件制备策略,改善了电流扩展和应力分布均匀性,解决了传统大尺寸LED电流拥挤和器件内部的光吸收损耗问题,并削弱了张应力转变带来的横向(Transverse-magnetic, TM)模式出光,进一步提高了光提取效率,实现了高注入电流密度下亮度、电光转换效率以及调制带宽的集体提升。

  该科研成果的出炉,有望大幅度提升产业化深紫外LED的器件性能并扩展其应用领域,实现杀菌消毒和日盲通信等跨领域应用功能的集成。

  二、增强深紫外光提取的人工纳米结构

今年3月,厦门大学研究团队创新性地设计了一种倒棱锥/台状人工纳米结构,能大幅提高深紫外光的提取效率。

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(a)运用纳米压印技术制备纳米孔阵列的流程示意图;

(a) -(c) (AlN)8/(GaN)2 超短周期超晶格的结构表征;

(d)-(f) 纳米圆孔及 (g)-(h)倒棱锥/台纳米孔阵列的微观形貌。

  研究人员通过纳米压印、干法刻蚀技术与湿法腐蚀工艺相结合,在发光波长短至234 nm的(AlN)8/(GaN)2有源层形成(0001)、(10-13)及(20-21)等多组角度精细可控的晶面。这些晶面能够调控深紫外光波在纳米结构中的传播和提取模式,有效突破传统平面结构中出射光锥角较小这一限制。引入晶面可控的倒棱锥/台状结构后,TM和TE偏振光相比于平面结构分别增强了5.6倍和1.1倍,深紫外234 nm波长处的总发光强度提高了近2倍。

  该研究成果的面世,将为提高深紫外短波发光器件的效率提供了新思路,并有望让微小尺寸 LED、深紫外探测器等光电器件拥有更优异的光学性能。

  三、高效固态深紫外发光碳点

今年3月,安徽大学材料科学与工程学院研究团队与俄罗斯科学院约飞研究所团队、安徽大学物质科学研究院团队以及中国科技大学国家同步辐射实验室科研团队合作,创新性地合成了一种具有高效固态深紫外发光碳点,并将其制备成发光器件应用于促进植物生长和营养富集。

  研究人员受生物体细胞内部高度区室化结构的启发,提出了一种全新的sp3区室效应策略(sp3-compartmentalization strategy),用于制备兼具窄发射(半峰宽24 nm)、高固态量子产率(20.2%)和良好环境适应性等优点的深紫外发射碳点(最大发射波长为308 nm)。基于该碳点良好的光学性质,研究人员组将其制作成深紫外发光器件进一步应用于植物照明,显著提升了植株中抗坏血酸和花青素等营养物质的含量。

全国十大紫外光前沿科技成果
深紫外发光碳点的发光光谱、发光机理和用于植物照明的示意图

  该研究工作为碳点结构和性能的合理化设计提供了新的思路,同时拓展了碳点在紫外发光器件和植物照明中的应用。

  四、紫外光UV-B激活番茄基因表达

今年2月,上海交通大学农业与生物学院研究人员揭示了在紫外光UV-B的处理下,番茄转录因子模块BBX20/21-HY5激活HY5基因转录,而过量积累的HY5蛋白抑制自身基因转录,形成自身负反馈环,维持体内HY5的水平,调节番茄的光形态建成。

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转录因子模块BBX20/21-HY5激活并反馈抑制HY5基因转录的模式图

  在研究工作中,研究人员发现在番茄bbx20 bbx21双突变以及hy5单突变体内紫外光激活HY5基因表达的能力显着下降。为此,他们利用番茄rup突变体,发现RUP负调控环只在早期抑制HY5的转录表达,而后期的负调控主要由HY5蛋白自身调节。因此,在光受体UVR8信号通路上存在至少两个不同的负反馈环,分别在光信号转导的早期和晚期发挥作用,平衡植物对紫外光UV-B的响应。

  该研究成果以园艺作物番茄为材料系统深入地解析了紫外光瞬时诱导HY5转录的调控机制,进一步拓展了UV-B转录调控网络,为设施园艺植物响应光环境信号提供了新的理论支撑。

  五、氧化镓基日盲紫外探测器

2021年12月,辽宁师范大学科研团队基于单根磷掺杂β-Ga2O3微米线制成金属半导体金属(MSM)型日盲紫外探测器,成功实现了对254 nm紫外光的高响应特性。

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单根磷掺杂β-Ga2O3微米线日盲紫外探测器原理图

  研究人员通过化学气相沉积法,制作出的微米线磷含量为2.3%,日盲紫外探测器光暗电流比约为2×103,其上升时间为47 ms,下降时间为31 ms;器件的光响应度和外量子效率可达6.57 A/W和3213%。光响应度和外量子效率随着光功率的增大而减小,表明该日盲紫外探测器在对微弱紫外光的检测中具有很好的应用前景。

  该研究也表明,通过掺杂能够有效提高氧化镓器件的紫外探测性能,为氧化镓紫外探测器的实际应用提供了新的思路。

  六、紫外光UV-C调控青椒果实生长

2021年7月,北京市农林科学院蔬菜中心(国家蔬菜工程技术研究中心)研究团队与英国诺丁汉大学、美国康奈尔大学两高校科研人员通过研究发现,紫外光UV-C辐照对青椒果实采后成熟衰老起到关键作用,为青椒果实采后品质劣变的调控机理研究提供了新依据。

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  研究人员以青圆椒果实为材料,采用全转录组学和代谢组学相结合的方法,深入探讨了常见紫外光UV-C辐照对青圆椒果实采后成熟衰老的调控机制,解析了mRNAs和ncRNAs在对照组和处理组中表达谱的差异性,并构建了其协同调控青椒果实采后成熟衰老的ceRNAs网络模型。研究发现,UV-C辐照处理主要影响青椒果实中类黄酮、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙素等生物合成途径相关基因和代谢物质的表达。

  该研究成果在国际上首次采用全转录组和代谢组学相结合的方法揭示了UV-C辐照处理调控青椒果实采后成熟衰老的分子机制,为非呼吸跃变型肉质果实采后生物学研究提供了新借鉴。

  七、多元合金超晶格高光效紫外LED

2021年6月,广东省科学院半导体研究所从材料生长和器件设计两方面对紫外LED展开了较系统深入的技术研发,成功研制出了高内量子效率的紫外LED器件。

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(a) 基于p-AlInGaN/AlGaN SPSL-EBL的紫外LED器件结构示意图;

(b) 368 nm紫外LED外延片(左)和晶圆上的芯片照片。

  研究人员采用MOCVD精细生长模式调控技术成功制备出高质量AlGaN材料和高内量子效率的AlGaN量子阱,通过极化场调控技术和能带工程,将多元合金p-AlInGaN/AlGaN短周期超晶格材料(SPSL)引入到AlGaN基紫外LED的电子阻挡层(EBL)结构中,从而实现该器件的制备。

  研究结果表明,SPSL-EBL能改善紫外LED器件的载流子传输特性,降低器件的开启电压,使得发光波长在368 nm的紫外LED器件发光效率比传统结构提高了101.6%。该器件的面世,也将会为高效率的全固态紫外光源的研发开辟了新路径。

  八、AlGaN基全结构深紫外LED

2020年12月,北京大学、松山湖材料实验室和中国医学科学院的合作者成功实现了AlGaN基全结构深紫外LED,并以此为基础制作了具有高功率密度的杀菌光源模组,并且在对新冠病毒的杀灭实验中表现优异。

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(a)深紫外LED的输出功率与电流曲线

(b)深紫外LED阵列(15×13)集成光源工作状态展示,阵列面积为3.0×3.6cm2。

(c) 集成光源在不同辐照距离处的功率密度与工作电流关系曲线。

(d) 新冠病毒杀灭实验示意图。

  研究人员首先在外延端基于纳米级图形化衬底和高温MOCVD技术,获得了高晶体质量的AlGaN基深紫外LED外延结构,接着在中游流片端通过设计电极结构与摸索电极工艺实现高电流注入效率与高出光效率,最后在下游通过利用AlN陶瓷基板,优化了封装工艺与电路设计,成功制备出稳定性优异的高功率杀菌模组。

  通过三部分相互配合,所组装的高功率密度深紫外杀菌光源在中国医学科学院实验动物科学研究所BSL-3级实验室实现了对新冠病毒1秒的瞬间杀灭,在与空白对照组的实验中,辐照组结果显示超过99.99%的新冠病毒被彻底杀灭。

  该研究充分展现了AlGaN基深紫外LED优异的杀菌性能,不仅在短期内为缓解新冠疫情显现了巨大潜力,更为未来深紫外杀菌行业提供了新的发展思路。

  九、基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT

2021年8月,中国科学技术大学(USTC)团队展示了一个基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT,齐亮点在于10/10nm的Ni/Au半透明栅极。

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  研究发现,当该器件在关断状态偏置时,可以实现20 pA的低暗电流。更重要的是,该器件可以获得优异的光电检测表现,其特征是在265nm UV照射下的峰值R值为3.6×107A/W和在365nm UV照射下为1.0×106A/W。对UVPT的VGS依赖性光反应的进一步研究表明,由于吸收性AlGaN阻挡层中的电场增加,更负的VGS将显著减少265nm检测的上升/衰减时间。

  该研究对AlGaN/GaN UVPT的光电探测行为提供了一种可行的器件架构,为未来基于宽带隙半导体的高性能UV PD的开发带来帮助。

  10DUV LED高质量AlN外延2021年7月,武汉大学的研究人员在交替的V/III比超晶格在蓝宝石衬底上制备出了高质量的AlN薄膜。

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(a) 具有交替V/III比率AlN SL的AlN外延结构的示意图。

(b) AlN生长过程中气体通量变化的示意图。

  研究人员通过引入交替的V/III比AlN超晶格积木,验证了在相对较低的温度(1180摄氏度)下,在蓝宝石上进行高质量AlN外延的可行性,也证明了交替的V/III比AlN超晶格通过改变位错倾斜行为在应变松弛和位错减少中起着关键作用。倾斜的螺纹位错也可以提供有效的错配位错段来松弛应变,从而消除在AlN生长过程中晶片破裂的风险。

  该研究实现的突破,将为基于AlGaN的深紫外(DUV) LED在杀菌消毒方面性能的提升带来重要的技术支持。


  在照明科技日益智能化、智慧化的今天,全国照明人关注的技术焦点早已不局限于“照亮”,而是更多的“不可见光”领域。新冠疫情的出现,更加速了广大科技工作者对该领域的不懈探索。作为不可见光领域里的重要一环,紫外光将在更多前沿科技成果的“开山劈石”下,为全国乃至全球社会大众带来更多惊喜的产业成果,兑现更多有划时代意义的民生价值。

来源:中国照明网

作者:严志祥