Et forskningsmiljø ved NTNU har lykkes med å lage lysdioder (LED) av et nanomateriale som utstråler ultrafiolett lys. Det er første gang noen har laget en lysdiode med ultrafiolett lys på et underlag av grafén.
– Vi har vist at det går an, og det er veldig spennende, sier stipendiat Ida Marie Høiaas. Hun arbeider ved nanomiljøet til Helge Weman og Bjørn-Ove Fimland ved Institutt for elektroniske systemer ved NTNU, og har jobbet sammen med stipendiat Andreas Liudi Mulyo på prosjektet.
– Her har vi skapt en ny elektronisk komponent som kan bli et kommersielt produkt. Det er ikke giftig og det er potensielt billigere, mer stabilt og varig enn dagens fluorescenslamper, sier hun.
– Lykkes vi med å lage disse diodene effektive og mye billigere enn i dag, kan man også se for seg at slikt utstyr kan bli vanlig hjemme hos folk. Da vil markedspotensialet øke betraktelig.
Farlig – men nyttig
Ultrafiolett lys fra sola må vi beskytte oss mot, men UV-lys har også svært nyttige egenskaper. Særlig UV-lyset med de korte bølgelengdene, 100-280 nanometer. Dette kalles UVC-lys og tar knekken på bakterier og virus.
Heldigvis blir de farlige UVC-strålene fra sola fanget opp av ozonlaget og oksygen, og når ikke jorda. Men vi kan lage UVC-lys, og bruker det blant annet til å rense sykehusutstyr, vann, luft og overflater.
Problemet er at mange av UVC-lampene som brukes i dag inneholder kvikksølv.
FNs Minamata-konvensjon, som trådte i kraft i 2017, slår fast at kvikksølvgruver skal fases ut og bruken av kvikksølv reduseres. Konvensjonen har fått navnet fra en japansk fiskerlandsby der
Bygger på grafén
Grafén lagt oppå glass er substratet, fundamentet, for den nye dioden som lager UV-lys.
Grafén er et supersterkt og ultratynt, krystallinsk materiale og består av kun ett lag med karbonatomer. På grafénet har forskerne klart å gro nanotråder av aluminiumgalliumnitrid (AlGaN).
Prosessen skjer i et vakuumkammer med høy temperatur der aluminium- og galliumatomer deponeres, eller gros, på grafénsubstratet med høy presisjon og med nærvær av nitrogenplasma. Prosessen kalles molkylærstråleepitaksi (MBE) og er utført i Japan der NTNU-miljøet samarbeider med professor Katsumi Kishino ved Sophia University i Tokyo.
Bli lys
Etter groing blir prøven fraktet til NTNU NanoLab hvor forskerne lager metallkontakter av gull og nikkel på grafénet og nanotrådene. Når strøm sendes fra grafénet og gjennom nanotrådene utstråler de UV-lys.
Grafén er transparent for lys av alle bølgelengder, og lyset fra nanotrådene slippes ut gjennom grafénet og glasset.
– Det er spennende at man kan kombinere nanomaterialer på denne måten og skape fungerende lysdioder, sier Ida Marie Høiaas.
Milliardmarked
En analyse har beregnet at markedet for UVC-produkter i dag skal øke med seks milliarder kroner frem til 2023. I takt med økt etterspørsel etter slike produkter og utfasingen av kvikksølv, er det forventet en årlig markedsøkning på nærmere 40 prosent.
Samtidig med sitt doktorgradsarbeid ved NTNU, jobber Høiaas med den samme teknologien, men på en industriell plattform i CrayoNano. Selskapet er sprunget ut av nanomiljøet ved NTNU.
Det finnes allerede UVC LED som kan erstatte fluorenscenslamper, men CrayoNanos ambisjon er å lage langt mer energieffektive og billige dioder. Ifølge selskapet er en av årsakene til at dagens UV-LED er dyre, at substratet er laget av kostbart aluminiumnitrid. Grafén er billigere å fremstille og man trenger mindre materiale i LED-dioden.
Må utvikles
Ida Marie Høiaas mener det ennå er mye som må forbedres før man kan industrialisere prosessen som er utviklet ved NTNU. Ledningsevnen og energieffektiviteten bør bli bedre, man må introdusere mer avanserte nanotrådstrukturer og bølgelengden må kortes ned for å lage UVC-lys.
Hos CrayoNano har de kommet enda lenger, men disse resultatene er ennå ikke publisert.
– Og når kan produktet bli industrialisert?
– Målet til CrayoNano er å kommersialisere teknologien i løpet av 2022, sier Høiaas.
Referanse: GaN/AlGaN Nanocolumn Ultraviolet Light-Emitting Diode Using Double-Layer Graphene as Substrate and Transparent Electrode
