همکاری لیزرها و نانوذره ها؛ آینده ای روشن برای روشنایی

همکاری لیزرها و نانوذره ها؛ آینده ای روشن برای روشنایی

همه ما نام لامپ های ال­ ای دی یا LED بارها شنیده ایم. LED ها نوعی از این نیم­رساناها هستند که با توجه مصرف برق کم و عمر بالا نسبت به لامپ­های فلورسنت، هالوژن و زنون توانسته اند جای خود را در دنیای روشنایی امروز ما باز کنند. در عصر حاضر، LED کارآمدترین ابزار روشنایی برای تولید نور سفید هستند. طبق برآوردها LED ها می توانند تا ۷۵% مصرف انرژی روشنایی را تا سال ۲۰۳۵ کاهش دهند. با این حال چگالی جریان LED پایین است k 0.01 kA cm^-۲ 0 به عبارت دیگر، برای بدست آوردن خروجی بیشتر نور، سایز فیزیکی LED نیز باید افزایش پیدا کند. با این حال، لیزرها، که بیشتر ما از آن ها برای مصارف صنعتی ، پزشکی و گاهی تفریحی! استفاده می کنیم؛ مدت زیادی است که به عنوان نسل جدید منابع روشنایی مطرح شده اند که حتی می توانند بازدهی بالاتری نسبت به LED ها داشته باشد. لیزر دیودها می توانند با چگالی جریانی خیلی بالاتری کار کنند (بیش ازkA cm^-۲۱۰) . در نتیجه ما می توانیم خروجی نور بیشتری را در واحد مکان به دست آوریم. برای مثال یک منبع نور لیزر در اندازه Mm^۲ .۱ میتواند نور خروجی به اندازه LED را با اندازه cm^۲ ۱ تولید نماید.

LED سفید

به طور خلاصه، دو روش اصلی برای تولید نور LED سفید وجود دارد. روش اول استفاده از سه LED جداگانه است که رنگ های اصلی؛ قرمز، سبز و آبی (RGB) را تولید می کنند و سپس مخلوط کردن این رنگ ها برای تولید نور سفید است. روش دوم استفاده از فسفر برای تبدیل نور تک رنگ آبی یا فرابنفش LED به طیف نور سفید است؛ مانند لامپ فلورسنت. این فسفر زرد رنگ در پکیج LED قرار داده می شود یا روی سطح LED روکش می شود. شکل ۱ طرز کار فسفر را در LED نشان می دهد.

لیزر سفید

وسایل روشنایی بر پایه لیزر، از لیزر نور آبی استفاده می کنند. مانند برخورد نور آبی به فسفر برای تولید نور سفید. اما عملکرد این وسایل روشنایی توسط مشخصات فسفر محدود شده است و توان نور تولیدی توسط این دستگاه به حدود  Kw cm^-۲ ۵ محدود شده است. شکل ۲ تولید نور سفید از لیزر آبی را با استفاده از فسفر نشان می دهد.

طراحی نانوساختار شش بعدی برای تقویت روشنایی لیزر

دانشمندان دانشگاه کیل آلمان در سال ۲۰۱۹ یک نانوذره سه بعدی را طراحی کردند که می تواند نور را بسیار قدرتمندتر از نیمه هادی فسفر پراکنده ­کند و از طرفی جذب نور بسیار کمی دارد.

این دانشمندان ، این نانوساختار مکعبی در ابعاد چند سانتی متر مکعب طراحی کرده اند که با مخلوط شدن با لیزرهای قرمز، سبز و آبی، نور سفید را تولید . طرز کار این نانوساختار در شکل ۳ و ساختار آن در شکل ۴ نشان داده شده است. با استفاده از این نانوساختار می توانیم روشنایی تقریبا ۱۰ برابری نسبت به فسفرهای متداول به دست آوریم. همچنین این نانوساختار یکی از سبک ترین گونه های خود در جهان محسوب می شود.  این نانوساختار بسیار متخلخل (حدود ۹۸%) و ماکروسکوپیک است و شامل شبکه ای نیمه شفاف و به هم پیوسته شش بعدی از نانولوله های توخالی بورون-نیترید می باشد و دانشمندان آن را ایرو-بی ان یا Aero-BN یا “گرافن سفید” نامگذاری کرده اند که تقریبا شبیه به یک مه یا غبار مصنوعی است .

دانشمندان بر این باورند که در نتیجه استفاده از این نانوساختار می توانند از نور لیزر برای کاربردهای بیشتری استفاده کنند. بنابراین لامپ­ های چراغ خودرو، پروژکتورها یا روشنایی خانگی می توانند کوچک تر و در عین حال درخشان تر از گذشته باشند.

پراکندگی ایزوتروپیک (isotropic) و آنیزوتروپیک (anisotropic)

هنگامی که یک پرتو نور پراکنده می شود، مسیر آن تغییر می کند. اگر نور هنگام برخورد به یک مانع به به صورت تصادفی در هر جهتی پراکنده شود، به آن پراکندگی ایزوتروپیک می گویند.( “ایزو” یک واژه یونانی و به معنی یکسان، در اینجا به معنی در همه جهات، می باشد). این در حالی است که در پراکندگی ایزوتروپیک پرتو نور فرودی در همه جهات پراکنده نمی شود. بلکه در گروهی کوچک از جهت ها پخش می شود که نزدیک به نور فرودی اصلی است. طرح این دو نوع پراکندگی در شکل ۵ نشان داده شده است.

نانوساختار Aero-BN به طور ایزوتروپیک نور تابشی از لیزرها را پراکنده می نماید که مناسب مصارف روشنایی است.

همچنین برون نیترید دارای باندگپ ۶.۵ الکترون ولت است که در نتیجه آن، ضریب جذب نوری این نانوساختار در طیف مرئی بسیار کم است (حدود ۱%) و میزان انتقال نوری آن حدود ۹۹%  برای یک نمونه ۲ نانومتری می باشد.

کاربردهای دیگر نانوساختارهای متخلخل

همچنین دانشمندان دانشگاه کیل، برای طراحی نانوساختارهای متخلخل می توانند از مواد دیگری بجز برون-نیترید نیز استفاده کنند. مانند گرافن یا گرافیت. در این صورت، مواد جدیدی برای روشنایی تولید می شوند. بعلاوه این دانشمندان با همکاری با شرکت ها و سایر دانشگاه ها، در صدد تولید و طراحی فیلتر هوا برای هواپیماها هستند

منابع

     F. Schütt et al., “Conversionless efficient and broadband laser light diffusers for high brightness illumination applications,” Nature Communications, vol. 11, no. 1, pp. 1-10, 2020.

en.wikipedia/scratchapixel