钼效力于绿色照明

文摘   科技   2024-07-28 09:39   北京  


LED是革命性的照明技术。它们比传统光源更具可持续性,因为它们能耗更低,寿命更长,同时还能以全新的方式来使用。钼在制造 LED 装置的蓝宝石衬底中起着关键作用,另一个重要功能是用作LED灯的散热器。



2014年12月10日在瑞典斯德哥尔摩,瑞典国王卡尔十六世-古斯塔夫向日本的赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和美国的中村修二(Shuji Nakamura)颁发了2015年诺贝尔物理学奖。他们的成就是:第一个高亮度蓝色发光二极管(LED)。赤崎和天野合作,中村独立工作,于 1992 年用不同的方法生产出了蓝色发光二极管。他们的成就凝聚了全球众多科学家多年的研究成果,为节能照明设备带来了光明的未来。绿光和红光发光二极管已经问世多年,但只有蓝光发光二极管的出现,才能使三种颜色混合产生白光。研究人员的工作解决了这一问题,打开了通向未来的大门。


总部设在伦敦的世界性科学组织——英国物理学会主席弗朗西斯桑德斯在一封电子邮件声明中谈及诺贝尔奖时说:"这是一项在最宏大的规模上产生直接影响的物理学研究,它有助于保护我们的环境,并应用于我们日常的电子产品中。


LED 照明与社会
与传统照明技术相比,LED 照明是一项非凡的进步,因为它更加环境友好。在给定的电功率下,LED 灯泡发出的光亮是荧光灯的四倍,是白炽灯的近 20 倍。这种能源效率非常重要,因为据估计,照明耗电占全球电力消耗的 20%-30%。此外,LED 灯避免了荧光灯的汞处理问题。


LED的高效率及其在低电压下工作的能力,造就了我们都非常熟悉的微型手电筒、钥匙扣灯和手机灯。更重要的是,它们为缺乏传统发电和配电系统的地区提供了创造性的照明解决方案。例如,在非洲开展的油灯(污染严重)替代计划,已在偏远地区配发了数百万盏太阳能 LED 灯。经久耐用是 LED 灯的另一大优势。它们的工作寿命是荧光灯的 10 倍,白炽灯的 100 倍。


LED灯的制造

LED 灯的科学性并不是其唯一的革命性之处。它们所需的制造技术与传统灯具完全不同。传统白炽灯依靠加热钨丝灯丝,荧光灯则需要激发充满气体的灯管以激活灯管上的荧光涂层,而 LED 照明是一种基于半导体的技术。我们需要一种新的灯具制造方法,而钼在这项技术中扮演着重要角色。

平面 LED 芯片示意图,显示了有源区(黄色)和蓝宝石衬底(灰色)。通过有源区的半透明电极发光。@STR 集团: 晶体生长和器件的建模解决方案

LED需要一个衬底来制造器件。衬底由高纯度的单晶蓝宝石(Al2O3)制成,因为它具有优异的导热性能和热膨胀性能,与构建于其上的半导体层相匹配。为了制造所需的单晶材料,蓝宝石在超过2000°C高温的钼坩埚中熔化,并在严格控制的条件下凝固15-20天,形成固体单晶 “晶锭”。晶锭有多种尺寸,目前的一种炉子宣称能够生产直径500毫米、300公斤的 “晶锭”。钼优异的高温强度和抗熔融蓝宝石侵蚀的能力是它在这一领域得到应用的主要原因。高纯度的钼金属(通常为99.97%) 确保无污染的蓝宝石具有最佳的性能。

用于蓝宝石生产的钼金属坩埚©Plansee


蓝宝石衬底的生长

大多数LED衬底的生长采用两种工艺之一: 泡生法 (Kyropoulos) 和热交换法。在泡生法中,在钼坩埚中填充纯氧化铝(Al2O3)粉末并熔化。将具有所需晶向的冷却单晶蓝宝石晶种与熔体表面接触。通过仔细地控制熔体的温度分布,一个大的蓝宝石单晶从晶种中生长出来。晶体慢慢地旋转,并随着它的增长从熔体中撤出。


而热交换法则将晶种置于钼坩埚底部,在此冷却以防止熔化。原料是氧化铝粉末和 "crackle"(从先前生产中回收的高纯度氧化铝块)的混合物。然后将炉料熔化,并在精心控制的条件下冷却。最终,所有熔体凝固成由原始晶种生长而成的蓝宝石单晶体。在这种方法中,坩埚只使用一次,并从成品晶锭中分离出来。


晶体生长工艺泡生法(上)和热交换法(下)示意图 @SubsTech 


除了这两种工艺中使用的钼坩埚外,钼隔热屏组件有助于控制炉内的温度分布。这一关键功能对于制造所需均一性的单晶是十分必要的,因为生长过程取决于炉子运行过程中的温度变化。


生产 "器件" 也需要钼
固化完成后,从晶锭钻取圆柱体,然后从圆柱体上切取单片晶圆并抛光。晶圆厚度小于0.5 毫米,直径与标准半导体加工设备相兼容,每个晶圆上可生产数千个独立的LED。LED器件采用金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)或分子束外延 (MBE ) 等工艺,逐层构建在蓝宝石衬底上。这类工艺采用高温和活性材料,因此沉积设备中使用了钼元件。


可能需要额外的金属涂层来使LED正常工作。传统的物理气相沉积(PVD )工艺如蒸镀等用于对器件进行金属化。钼加热线圈和夹持蒸发物的钼舟是工艺中常用的部件。钼的高温强度和稳定性以及与蒸发物的相容性使其成为一种自然的选择。


在蓝宝石衬底上制造的 LED 设备需要一个热膨胀特性相匹配及高热导率的结构基底,以消除操作过程中产生的热量。在这方面,钼再一次满足了要求,无论是作为纯钼金属,还是钼和铜的工程复合材料。钼铜复合材料也用于大功率LED灯具的散热器和底板。


在蓝宝石衬底上制造出器件后,将晶圆进行切片,得到单独的LED,然后将其组装成灯具。上图特意给出了一个典型的成品LED灯泡的尺寸。LED芯片的平面尺寸通常为几分之一毫米,被嵌入直径仅约 5 毫米的透明环氧树脂外壳中。单个灯泡可单独使用(如节日照明灯串),也可成组使用(如图所示的交通信号灯、条形照明灯、汽车灯或室内照明灯具)。

每个LED 灯的环氧树脂外壳被染色以表明所产生的光的颜色
©iStockphoto.com/JamersonG


单个LED灯泡的直径只有约5毫米,而LED芯片则更小,长度和宽度都只有几分之一毫米@Molecular Expressions/National High Magnetic Field Laboratory 


商用LED灯采用多个独立的灯泡。半导体技术为单个器件在灯中的排列方式提供了极大的自由度

 ©iStockphoto.com/ludinko


未来

LED 照明已在全球汽车、商业和住宅市场取得了长足进步。它们为设计师们提供了新颖而富有创意的建筑和空间照明方式,例如下图的 Indemann瞭望塔。据估计,LED 灯的年增长率高达 45%。美国能源部预测,到 2030 年,销售的照明产品中将有74%为LED灯,LED 有可能使美国的照明能耗降低近一半。全球 LED 市场从 2012 年的 48 亿美元增长到 2019 年的 420 亿美元。随着研发和工程技术的不断进步,制造成本持续下降,LED 照明将为亟需的节能工作做出更大贡献。随着市场的持续增长,钼将在制造过程中的几乎每一个环节为这一增长提供支持。(JS)

钼和含钼材料的世界
国际钼协会(IMOA)发布钼及含钼材料(包括不锈钢、合金钢、超级合金、钼金属和化学品)在各个领域应用的技术资讯及对可持续社会的贡献,是获取前沿、科学、实用、有趣的钼及含钼材料知识和资讯的重要来源。