急求关于led的论文

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 二、LED光源的特点 1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。 三、单色光LED的种类及其发展历史 最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。 四、单色光LED的应用 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 五、白光LED的开发对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。

二维材料由于其独特的光电性质和宽阔的应用范围，在过去十几年来引起了世界各地科学家广泛的研究兴趣。砷烯（Arsenene）作为第五主族二维材料中的一员，有三种同素异形体，分别是灰砷(菱方晶相)、黑砷(正交晶相)和黄砷(As4分子晶体)。不同晶相的砷烯具有各异的电学性质，例如：具有蜂窝状晶体结构的灰砷是半金属，具有类似于黑磷晶体结构的单层和少层黑砷表现出半导体性，分子晶体型的黄砷则是绝缘体。虽然液相剥离法制备了少层灰砷烯纳米片，但其半金属特性和环境易氧化性限制了灰砷烯在光电子器件中的应用。到目前为止，可控获取单层或双层的灰砷烯仍然是一个巨大挑战，更不用说在环境空气中有效的保存。此前，南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室、江苏省先进有机材料重点实验室金钟教授团队使用范德华外延法成功制备了高结晶度的少层灰砷烯纳米片，并提出了一种通过高分子聚合物钝化砷烯纳米片的方法，极大地提高了砷烯纳米片环境稳定性，为后续灰砷烯的改性、加工和纳米器件应用铺平了道路（Chemistry of Materials, 2019, 31(12): 4524~4535）。随后，金钟教授团队还提出了一种通过液相剥离方法规模化制备砷烯纳米片的方法，并与南京大学理论与计算化学研究所马晶教授团队合作对其与溶剂相互作用的机理进行了深入的研究（Physical Chemistry Chemical Physics, 2019, 21(23): 12087~12090）。进一步地，金钟教授团队与南京大学郭子建院士、赵劲教授合作，发现砷烯能够与动物体内的核蛋白相互作用，在用于治疗急性早幼粒细胞白血病的潜在药物方面有巨大的潜力（Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59(13): 5151~5158）。为了进一步调控砷烯的物理和化学性质，采用合理的策略精确调节其原子构型和电学结构并保持灰砷烯原始的二维特殊形态具有重要意义。从这一角度出发，如果能够可控地将半金属灰砷烯转化为半导体性的玻璃态砷烯，将会是一个能扩宽砷烯在纳米电子学、光学和生物医学等诸多领域应用范围的有效途径。

最近，金钟教授团队提出通过氢氟酸（HF）溶液对砷烯进行表界面处理的湿化学法，成功地将半金属性的灰砷烯纳米片可控地转化为半导体性的玻璃态砷烯纳米片的有效途径。并系统性地探究了玻璃化过程的机理和玻璃态砷烯的光电性质。该湿化学处理过程可以在有或没有上表面聚合物涂层的保护下进行，通过对灰砷烯纳米片的表面进行不同的聚合物涂层保护，可以有选择性地对其实现单面或双面的可控玻璃化，并且能够很方便地转移到任意的平坦衬底上（图1）。例如，首先在砷烯纳米片上表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜，随后浸入HF水溶液中，可以成功实现从下表面开始的玻璃化，也可以通过直接将生长于云母衬底的砷烯纳米片浸入HF溶液中实现。在这种情况下，由于云母表面易受HF渗透，玻璃化从砷烯纳米片的两侧同时开始。通过详细的结构表征，证实了玻璃态砷烯纳米片具有典型的玻璃化特性，与高结晶度的原始灰砷烯有明显的结构差别。完全玻璃化的砷烯纳米片完美地保留了初始砷烯的六角形形状，并表现出典型的非晶态特性。通过采集部分玻璃化的砷烯纳米片的不同位置的TEM图像和SAED图案，可以清楚识别砷烯纳米片的玻璃化部分和未玻璃化部分的边界，揭示了砷烯纳米片的边缘区域比中间区域的玻璃化反应更为迅速。相对于中心区域，砷烯纳米片的边缘区域更易于被湿化学处理玻璃化（图2）。研究还发现，HF水溶液中溶解氧含量的提高，能够对灰砷烯纳米片的玻璃化过程反应速度起到很大的促进作用。详细的表征和测试研究表明，与原始灰砷烯纳米片的半金属特性不同，所制备的玻璃态砷烯纳米片在635 nm处有一个很强的光致发光峰，对应的光学带隙为1.95 eV。基于玻璃态砷烯纳米片的场效应晶体管表现出明显的p型半导体特性，载流子迁移率为~159.1 cm2 V-1 s-1（图3）。通过与马晶教授合作进行理论模拟计算和机理分析表明，灰砷烯纳米片的玻璃化过程是由于HF和溶解氧共同参与了对砷烯纳米片的刻蚀作用，消耗了砷烯界面和内部的一部分砷原子，从而形成了砷原子缺陷/空位和无序的原子结构，有效改变了砷烯的电子能级结构（图4）。这种新型的湿化学处理方法提供了一种能够诱导半金属性的灰砷烯向半导体性的玻璃态砷烯进行可控转变的有效策略，有目标、有针对性地调控了砷烯纳米片的电学和光学性质，从而为二维纳米材料的界面和能带结构调制提供了崭新的思路。

该研究成果以“Wet Chemistry Vitrification and Metal-to-Semiconductor Transition of Two-Dimensional Gray Arsenene Nanoflakes”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202106529）。南京大学金钟教授和马晶教授为该论文的通讯作者。副研究员胡毅博士为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、军委 科技 委国防 科技 创新特区项目、国家自然科学基金项目、江苏省杰出青年基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

图1. 湿化学法处理诱导灰砷烯纳米片玻璃化的原理示意图和显微照片。

图2. 部分玻璃化和完全玻璃化的砷烯纳米片的晶体结构表征。

图3. 晶态灰砷烯和玻璃态砷烯的电学输运性质对比。

图4. 砷烯纳米片玻璃化过程的机理研究。

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