UV-C-Lampen stellen eine bedeutende Neuerung dar, indem sie Nanometer große Quantenboxen aus Galliumnitrid und Aluminium integrieren. Sie gewährleisten eine hohe Desinfektionsleistung in einem Wellenlängenbereich, der für den Menschen ungefährlich ist.
Die geringen Kosten und die einfache Handhabung von Quecksilberlampen, die bei 254 nm emittieren, spielten eine entscheidende Rolle bei der allgemeinen Einführung der UV-Desinfektionstechnologie. Diese Lampen haben jedoch mehrere Nachteile, darunter eine kurze Lebensdauer, ein langsames Einschalten und das Risiko toxischer Leckagen. Darüber hinaus erzeugen sie Strahlung, die potenziell krebserregend und kataraktbildend ist.
Angesichts dieser Probleme richtet sich die Forschung auf UV-C-Lampen im fernen Bereich um 230 nm, da dies ein weniger invasives Spektrum für Haut und Augen darstellt. Die Leistung der aktuellen UV-LEDs ist jedoch unzureichend und verschlechtert sich zusätzlich, je kürzer die Wellenlänge ist.
Eine Alternative zu LEDs sind Elektronenstrahllampen, bei denen Elektronen von einer kalten Kathode emittiert und elektrische Energie in den Halbleiter injiziert wird [
1]. Im Gegensatz zu LEDs benötigt diese Technologie weder Dotierung noch elektrischen Kontakt des Halbleiters. Geräte, die Elektronenstrahlen verwenden und AlGaN-Quantenboxen als aktives Material einsetzen, haben beachtliche Fortschritte in Bezug auf Effizienz und Leistung erzielt. Diese Quantenboxen verbessern die Leistung durch ihre hohe Effizienz.
Abbildung 1
(a) Bild der Transmissionselektronenmikroskopie zweier Schichten von AlGaN-Quantenboxen. Die Anordnung der Quantenboxen ist kompakt, mit einer Höhe von ca. 1 nm und einem Durchmesser an der Basis von 5-7 nm.
(b) Schematische Darstellung der gezielten UV-C-Lampe, die den Halbleiter mit AlGaN-Quantenboxen und die kalte Kathode in einem evakuierten Gehäuse enthält. Forscher des CEA-Irig in Zusammenarbeit mit dem Institut Lumière Matière (Universität Lyon), dem Institut Néel in Grenoble (CNRS) und dem CEA-Léti haben UV-Lampen entwickelt, die AlGaN-Quantenboxen enthalten.
In Ultrahochvakuumsystemen passen die Forscher die Wachstumsparameter durch Molekularstrahlepitaxie dieser Boxen im UV-Bereich von 230 bis 270 nm genau an (
Abbildung 1). Die Quantenboxen erreichen eine Quanteneffizienz von etwa 50 % über das gesamte Spektralband. Darüber hinaus zeigen sie höhere Energieeffizienzen als AlGaN-LEDs im Spektralfenster bei 230 nm (
Abbildung 2) [
2].
Zusammenfassend markieren diese Forschungen einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung von Quellen für effektive und sichere UV-C-Desinfektion. Die Fortschritte beinhalten eine engere spektrale Auswahl [
3] und Verbesserungen in der Effizienz der Lichtextraktion. Darüber hinaus werden neue Designs von UV-Desinfektionslampen untersucht, die eine Kathode enthalten, die mehrere Milliwatt Strom für eine längere Lebensdauer erzeugt.
Abbildung 2
Emissionsspektren der Kathodolumineszenz (CL) von Quantenboxproben mit verschiedenen Aluminiumkonzentrationen in den Boxen.
[1] Cuesta S, Harikumar A and Monroy E.
Elektronenstrahl angeregte Leuchtmittel.
Journal of Physics D: Applied Physics 2022.
[2] Cañas J, Harikumar A, Purcell S T, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Bellet-Amalric E, Donatini and Monroy E.
AlGaN/AlN Stranski-Krastanov-Quantenpunkte für hoch effiziente elektronenstrahlangeregte Emitter: Die Rolle von Miniaturisierung und Zusammensetzung, um Fern-UV-C-Emission zu erreichen.
ACS Photonics 2023.
[3] Cañas J, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Saghi Z, Rouvière JL, Bellet-Amalric E, Harikumar A, Bougerol C, Rigutti L and Monroy E.
Einfluss von erweiterten Defekten auf AlGaN QDs für elektronenpumpende UV-Emitter.
ACS Nano 2024.
Quelle: CEA IRIG