В то время как лауреатом Нобелевской премии 2014 года в области физики считались светодиоды как единственное самое значимое решение энергосберегающего освещения на сегодняшний день, ученые во всем мире продолжают неустанно искать лучшее освещение для будущего.
Электроника, основанная на углероде, особенно углеродные нанотрубки (CNTs), является преемником кремния для изготовления полупроводниковых материалов. И они могут стать новым поколением ярких, маломощных, недорогих устройств освещения, которые могут бросить вызов господству светодиодов в будущем и удовлетворят все возрастающее требование общества на более экологичные лампочки.
Ученые из университета Тохоку в Японии развили новый тип энергосберегающего плоского источника света, основанного на углеродных нанотрубках с очень низким расходом энергии, приблизительно 0,1 ватт для действия каждого часа, что в сто раз ниже, чем у светодиодов.
В журнале «Обзор научных инструментов» исследователи детализируют изготовление и оптимизацию устройства, которое основано на люминесцентном экране и одностенных углеродных нанотрубках в качестве электродов в диодной структуре. Вы можете думать об этом как о поле вольфрамовых нитей, сокращенных к микроскопическим пропорциям.
Они собрали устройство из жидкой смеси, содержащей кристаллические одностенные углеродные нанотрубки, диспергированные в органическом растворителе, смешанном с подобным мылу химикатом, известным как сурфактант. Затем они «намазали» смесь на положительный электрод или катод, и поцарапали поверхность наждачной бумагой, чтобы сформировать световое табло, способное к производству большого, стабильного и однородного тока эмиссии с низким потреблением энергии.
«Наша простая «диодная» группа может получить высокую эффективность яркости до 60 люменов за ватт, которая поддерживает превосходный потенциал для устройства освещения с низким расходом энергии», — сказал Норихиро Шимои, ведущий исследователь и адъюнкт-профессор экологических исследований в университете Тохоку.
Эффективность яркости показывает, сколько света производится источником освещения при потреблении суммы единиц электроэнергии, которая является важным индексом для сравнения эффективности использования различных устройств освещения, сказал Шимои. Например, светодиоды могут производить 100 люменов за ватт, а OLEDs (органические светодиоды) приблизительно 40.
Хотя у устройства есть подобная диоду структура, ее система светового излучения не основана на диодной системе, которая состоит из слоев полупроводников, материалов, которые действуют как помесь проводника и изолятора, электрическими свойствами которого можно управлять с добавлением примесей, названных допантами.
У новых устройств есть системы люминесценции, которые функционируют больше как электронно-лучевые трубки с углеродными нанотрубками, действующими как катоды, и люминесцентный экран в вакуумной полости, действующий как анод. Под сильным электрическим полем катод испускает жесткие, высокоскоростные пучки электронов через нанотрубки, это явление названо полевой эмиссией. Электроны летят через вакуумную полость и заставляют люминесцентный экран светиться.
Полевые источники электронов эмиссии привлекают внимание ученых из-за его способности обеспечивать интенсивные электронные лучи, которые являются приблизительно в тысячу раз плотнее, чем обычный термоэлектронный катод (как нити в лампе накаливания). Это означает, что полевые источники эмиссии требуют намного меньше энергии для работы и производят намного больше направленного и легко управляемого потока электронов.
В последние годы углеродные нанотрубки считаются многообещающим материалом электронных полевых эмиттеров, вследствие их наноформы иглы и чрезвычайных свойств химической стабильности, теплопроводности и механической прочности.
«У очень прозрачных одностенных углеродных нанотрубок (HCSWCNT) почти нулевые дефекты в поверхностной углеродной сети, — объяснил Шимои. — Сопротивление катодного электрода с прозрачной одностенной углеродной нанотрубкой очень низкое. Таким образом, у нового плоскопанельного устройства самая меньшая энергетическая потеря по сравнению с другими современными устройствами освещения, которые могут использоваться для производства энергосберегающих катодов с низким расходом энергии».
«Многие исследователи пытались построить источники света с углеродными нанотрубками, как полевой эмиттер, — сказал Шимои. — Но никто не разработал эквивалентное и более простое устройство освещения».
Рассматривая главный шаг в производстве устройств — влажный процесс покрытия — недорогостоящий, но длительный процесс для создания большой площади однородной тонкой пленки, у плоскопанельного устройства эмиссии есть потенциал для обеспечения нового подхода к освещению в быту и уменьшения выделения углекислого газа в атмосферу.