化熱為光的酷LED問世！
- 上線日期：2012/4/11 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國研究人員研發出一種轉換效率高過200％的發光二極體(light-emitting diode)，其發出的光能量竟超越消耗的電能。該元件的行為類似光學熱泵(optical heat pump)，能將晶格振動熱能轉換成紅外光釋出，周圍溫度會因此降低。此概念於1957年提出後，至今首次有元件實現其想法，未來可望應用於節能發光(energy-efficient lighting)與低溫冷卻技術(cryogenic refrigeration)。
在光電半導體中，當電子電洞對復合時，多餘的能量可能以光子(photon)的形式釋出，稱為輻射過程(radiative process)，或以熱的形式造成晶格振盪(聲子, phonon)，即為非輻射過程(non-radiative process)。由於半導體能隙是一固定值，外加電壓雖能提供LED產生電子電洞對的能量，並不會影響光子能量。然而，由於大部分電子電洞復合為非輻射過程，這些晶格振動會形成熱庫(heat reservoir)，而光子可由此汲取能量，因此還是可能使發出的光子能量不同於能隙。
捷克科學家Jan Tauc在1957年指出，半導體晶格可藉由輻射移除熱，因此發光效率超過100%的LED並非異想天開。直覺上，此概念似乎違反熱力學基本定律，然而麻省理工學院的Parthiban Santhanam表示，一般人認為光子是一種功而非熱，所以不含熵(entropy)，事實上，光子的確含有熵，因此此過程並不違反熱力學第二定律。
儘管此概念並不違反物理法則，直到五十年後才由MIT團隊成功研發。不同於過去其他研究團隊增加LED兩端的偏壓，Santhanam等人把偏壓降至70 μV並加熱至135°C以提供更多晶格熱量。在此條件下，通過LED的電子只有不到0.1%能產生光子。測量結果顯示，LED輸出的光能約70 pW，而耗電僅30 pW，發光效率超過200%。這是由於偏壓接近零時，輸出光能與消耗電能也趨近於零。但耗能與電流平方成正比，而光能則正比於電流，亦即電壓減半使效率倍增。
此元件的可能應用之一是做為冷卻器，不過目前因冷卻能力過低還不具任何實際用途。Santhanam表示，此元件可作為光譜和通訊方面等的光源，因在這些應用中光強度僅需足以與背景雜訊區分即可。詳見Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/48882
譯者:姚淳颺(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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