Promieniowanie w zakresie głębokiego ultrafioletu (UV-C) ma unikalną zdolność niszczenia bakterii i wirusów, dzięki czemu znajduje zastosowanie w dezynfekcji i sterylizacji – od oczyszczania wody, przez sterylizację sprzętu medycznego, aż po dezynfekcję powietrza w budynkach. Zapotrzebowanie na bezpieczne i szybkie metody eliminowania zagrożeń biologicznych rośnie, a rynek emiterów głębokiego UV rozwija się dynamicznie. Szacuje się, że wartość rynku lamp UV wzrośnie o 3,25 mld dolarów w latach 2023–2027.
– Przy odpowiedniej długości fali, najskuteczniej w zakresie 250-270 nm, promieniowanie zaczyna zabijać bakterie i wirusy. To główny powód, dla którego głębokie UV jest tak ważne w praktyce – wyjaśnia dr Dominika Majchrzak z Grupy Badawcza Epitaksji Związków Półprzewodnikowych, badaczka z pomysłem na alternatywę dla tradycyjnych emiterów głębokiego UV.
W kierunku LED-ów DUV
Dotychczas najpowszechniej stosowanym źródłem były lampy rtęciowe. Emitują skutecznie promieniowanie UV-C, ale mają istotne wady: duży rozmiar, krótka żywotność, zawartość toksycznej dla środowiska i człowieka rtęci. Nauka szuka więc alternatyw.
Nowoczesnym rozwiązaniem są półprzewodnikowe diody LED DUV, oparte na materiałach z grupy azotków (AlGaN). Są niewielkie, nietoksyczne, energooszczędne i trwałe. Problem w tym, że ich efektywność emisji głębokiego UV jest wciąż niska.
– Większość energii elektrycznej, która dostarczana jest do diody zamiast przekształcać się w światło, ulega stratom w postaci ciepła. Z tego powodu obecnie diody LED emitujące głęboki ultrafiolet wypadają gorzej pod względem efektywności niż tradycyjne lampy rtęciowe – tłumaczy badaczka.
Źródłem problemu są m.in. trudności technologiczne przy tworzeniu warstw półprzewodnikowych. W diodzie występują dwa podstawowe typy warstw: N (dla elektronów) i P (dla tzw. dziur – nośników ładunku dodatniego). Spotkanie elektronów i dziur daje światło. Największym wyzwaniem okazuje się właśnie warstwa typu P. Trudno zapewnić jej dobre połączenie elektryczne z elektrodą – a to prowadzi do strat energii i nagrzewania się urządzenia.
– Potrzebny jest tzw. kontakt omowy, czyli taki, przez który prąd płynie swobodnie, bez dodatkowych strat. Metale takie jak złoto czy nikiel nie sprawdzają się najlepiej w roli elektrod, ponieważ mają zbyt niski parametr zwany pracą wyjścia. To utrudnia skuteczne przewodzenie prądu i sprawia, że część energii zamiast w światło, zamienia się w ciepło – mówi dr Majchrzak.
Innowacyjny pomysł: MXeny
Przełomową inspiracją okazała się konferencja naukowa, na której dr Majchrzak usłyszała o MXenach – nowej klasie materiałów. – Pomyślałam: a może zastosować właśnie w LED-ach DUV? Mają metaliczne przewodnictwo, wysoką pracę wyjścia i łatwo je nanosić na powierzchnię. To idealne właściwości dla elektrod – wspomina.
Projekt dr Majchrzak sprawdza, czy nowe materiały – tzw. MXeny – mogą zastąpić dotychczasowe metaliczne elektrody w diodach DUV. Jeśli się uda, diody będą świecić mocniej i działać dłużej – dotychczasowe wyniki badań dr Majchrzak są obiecujące.
Staż naukowy u noblisty
Projekt „Funkcjonalizacja powierzchniowa p-(Al)GaN poprzez użycie MXenes – inżynieria kontaktowa dla wydajnych emiterów głębokiego UV” został wyróżniony w konkursie SONATINA 9 Narodowego Centrum Nauki, skierowanym do młodych naukowców. Dzięki grantowi dr Majchrzak będzie mogła kontynuować swoje badania jako post-doc, a także wyjechać na staż do Kalifornii. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara planuje pracować w zespole prof. Shuji Nakamury – jednego z trzech noblistów nagrodzonych za otrzymanie wydajnych niebieskich LED-ów, co umożliwiło stworzenie jasnych i energooszczędnych źródeł białego światła, rewolucjonizując technologię oświetleniową i znacząco wpływając na zmniejszenie zużycia energii na świecie. Dr Majchrzak będzie miała okazję pracować z naukowcami i sprzętem najwyższej klasy.
Era półprzewodników
Badania Dominiki Majchrzak już teraz przyciągają uwagę firm technologicznych, które dostrzegają ich potencjał. Wniosek grantowy chętnie zrecenzowało aż siedmiu ekspertów – to pokazuje, jak duże zainteresowanie wzbudza ten pomysł. Badania nad MXenami mogą sprawić, że półprzewodnikowe emitery głębokiego UV staną się wydajniejsze, tańsze i bardziej dostępne.
Temat półprzewodników w szerokim ujęciu, a zwłaszcza ogromne zapotrzebowanie na nie, często pojawia się w światowych mediach. To od ich produkcji zależy rozwój współczesnych technologii. Braki w dostawach układów scalonych w ostatnich latach pokazały, jak kluczowe dla gospodarki i bezpieczeństwa są sprawne łańcuchy produkcji półprzewodników.
21-24 września Wrocław będzie stanie się centrum międzynarodowej dyskusji o półprzewodnikach – konferencja „8th International Workshop on Ultra-Wide Bandgap Materials and Devices”, organizowana przez Łukasiewicz – PORT i Politechnikę Wrocławską, zgromadzi światowych liderów badań nad materiałami półprzewodnikowymi. Wśród gości pojawi się również Hiroshi Amano, jeden z trzech japońskich naukowców, który wraz z przywołanym wcześniej Shuji Nakamurą i Isamu Akasakim, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rozwój niebieskich diod LED. W naszym mieście spotkają się badacze dokonujący przełomów, by szukać rozwiązań dla obecnych potrzeb rynku oraz projektować technologie przyszłości.
