Добавление бора повысит эффективность светодиодов
Добавление бора в кристаллическую структуру смешанного нитрида индия и галлия позволит увеличить эффективность работающих на таком материале светодиодов большой мощности. Добиться этого можно за счет уменьшения параметров кристаллической решетки, сообщают физики из США в статье, опубликованной в Applied Physics Letters.
Светодиоды на основе смешанного нитрида галлия и индия (InxGa1-xN) являются источниками света в видимой области и уже сейчас довольно широко применяются в различных устройствах. В основе такого светодиода лежит трехслойная структура, в которой тонкий слой InxGa1-xN зажимается между двумя слоями чистого нитрида галлия GaN и служит для электронов квантовой ямой, по которой они могут перемещаться только в плоскости.
Эффективность преобразования электричества в излучение в таких источниках света достигает почти 40 процентов, но при больших напряжениях такой материал теряет свою эффективность, особенно при излучении в зеленой части спектра. Основной причиной потери эффективности обычно называют Оже-рекомбинацию, при которой электрон из зоны проводимости при рекомбинации с дыркой избыточную энергию не испускает в виде излучения, а передает другому электрону. Для того, чтобы снизить влияние этого эффекта, необходимо уменьшить концентрацию электронов, что можно сделать, например, увеличив ширину квантовой ямы. Добиться этого тяжело из-за небольшого различия в параметрах решетки нитрида галлия и смешанного нитрида галлия и индия. Если напряжения, которые из-за такого несоответствия возникают в тонких слоях довольно небольшие, то при увеличении толщины такие структуры становятся неустойчивыми.
Для того, чтобы решить эту проблему, Логан Уильямс (Logan Williams) и Эммануил Киупакис (Emmanouil Kioupakis) из Университета Мичигана предложили ввести в химическую структуру нитрида атомы бора. Согласно доступным экспериментальным данным, параметр решетки с нитриде галлия составляет 3,181 ангстрема, в нитриде индия — 3,538 ангстрема, а нитриде бора с такой же кристаллической структурой — 2,536 ангстрема. Из-за этого в смешанном нитриде галлия и индия расстояние между атомами больше, чем в чистом нитриде галлия, но если добавить туда нужное количество бора, то его можно довести до нужного размера.
С помощью численного расчета методом теории функционала плотности ученые определили, как будут меняться параметры кристаллической решетки и ширина запрещенной зоны при добавлении в структуру двух нитридов (GaN и InxGa1-xN) бора.
Оказалось, что если соотношение атомов бора и индия в решетке составляет 2 к 3, то ширина запрещенной зоны остается примерно такой же, что и в смешанном нитриде с такой же концентрацией индия. При этом расхождение в параметрах кристаллической решетки между этим смешанным нитридом бора, индия и галлия и окружающими его слоями чистого нитрида галлия сокращается практически до нуля. При этом интересно, что атомы бора значительно легче встраиваются в решетку смешанного нитрида, содержащего индий, чем в чистый нитрид галлия.
Ученые надеются, что полученные ими данные мотивируют экспериментаторов на получение и исследование нитридов с таким большим содержанием бора, и уже в ближайшее время с помощью этих материалов удастся производить еще более эффективные светодиоды большой мощности.
Одним из наиболее перспективных материалов, которые можно использовать в качестве электродов для таких светодиодов, является графен. Сейчас активно развиваются технологии создания светодиодов с графеновыми электродами, и с помощью них, например, можно создавать гибкие светодиоды большой площади.
Александр Дубов
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.