Ledien hinta voisi tippua murto-osaan paremmilla materiaaleilla

Tutkijat analysoivat eri materiaalien käyttäytymistä superkriittisissä seoksissa. Vasemmalla safiirikide ennen testiä, keskellä NH3-Na seoksessa syöpynyt safiirikide ja oikealla piikarbidi, joka kesti hyvin NH3-Cl syövytyksen.

Led-valaisimien puolijohdekomponentteihin käytettävän galliumnitridin valmistukseen on kehitteillä monia uusia mahdollisuuksia. Yksi lupaavimmista on ammonoterminen menetelmä, jossa galliumnitridi valmistetaan nestemäisellä ammoniakilla täytetyssä reaktorissa.  Menetelmä on sama kuin kvartsin valmistuksessa hyödynnetyssä hydrotermisessä menetelmässä, jossa ammoniakin sijasta käytetään vettä.

Ammonotermisen reaktorin sisällä vallitseva kova kuumuus yhdistettynä 2500 ilmakehän paineeseen ja superkriittiseksikin kutsutun nesteen syövyttävyyteen on kuitenkin haaste reaktorille ja siten led-materiaalin valmistukselle. Ongelman ratkaisemiseksi Aalto-yliopiston tutkijatohtori Sami Suihkonen ja fysiikan nobelisti Shuji Nakamuran vetämä University of Californian tutkijaryhmä analysoivat systemaattisesti 35 metallin, 2 puolimetallin ja 17 erilaisen keraamisen materiaalin käyttäytymistä kolmen erilaisen 572 celsiusasteeseen kuumennetun superkriittisen seoksen kanssa.

Ammonotermisessä menetelmässä reaktorin sisällä on dynamiittipötkön verran energiaa.

– Ammonotermisessä menetelmässä reaktorin sisällä on dynamiittipötkön verran energiaa, joten olosuhteet ovat aika vihamieliset, Sami Suihkonen kiteyttää.

– Reaktoreissa yleisesti käytetty nikkeli-kromiseos kestää kyllä hyvin tavallisen superkriittisen ammoniakin, mutta huonosti galliumnitridin valmistuksessa tarvittavat seokset, joihin on lisätty esimerkiksi ammoniumkloridia tai natriumia. Tutkimuksemme osoitti, että vanadiini, niobium ja volframi karbidi olivat stabiileja kaikissa kolmessa superkriittisessä seoksessa. Käytännön sovelluksiin, kuten ledimateriaalien valmistukseen, on kuitenkin tärkeämpää löytää juuri tietylle kemialle sopivin materiaali. Ammonium-natriumille tämä oli hopea; ammonium-kloridin kanssa piinitridi sekä jalometallit vaikuttavat lupaavimmilta.

Materiaalia myös tehoelektroniikkaan

Reaktorin nikkeli-kromiseoksen korvaaminen muilla rakennusaineilla edellyttäisi Suihkosen mukaan koko valmistusprosessin muokkaamista. Kestävämmät reaktorit mahdollistaisivat kuitenkin korkealaatuisemman, vähemmän kidevirheitä sisältävän galliumnitridin valmistamisen, mikä puolestaan johtaisi laadukkaampiin ledeihin. Ledeissä parempi laatu tarkoittaisi myös edullisempaa hintaa.

– Korkealaatuisesta ledistä saa pinta-alayksikköä kohden ulos paljon enemmän valoa. Koska puolijohteissa maksaa nimenomaan pinta, paremmat materiaalit voisivat tiputtaa ledien hinnan jopa murto-osaan nykyisestä, Suihkonen laskee.

– Lisäksi korkealaatuisemmat ledit tuottavat vähemmän lämpöä, joten ne vaativat pienemmät jäähdytyselementit, mikä alentaa hintaa ja mahdollistaa nykyistä kompaktimmat valaisimet.

Edullisemman ja tehokkaamman valaistuksen lisäksi paremmille materiaaleille olisi käyttöä tehoelektroniikassa, jota tarvitaan muun muassa sähköautojen tehonsäädössä, virtalähteissä ja muuntimissa.

Tutkimus Stability of Materials in Supercritical Ammonia Solutions julkaistiin äskettäin The Journal of Supercritical Fluids -tiedejulkaisussa.

Lisätietoja:

Tutkijatohtori Sami Suihkonen
Aalto-yliopisto
Puh. 050 361 8657
[email protected]

Linkki julkaisun abstraktiin (sciencedirect.com)