Computere hjælper med at opdage nye, billigt materiale til at lave LED'er med høj farvekvalitet

Et team ledet af ingeniører ved University of California San Diego har brugt datamining og beregningsværktøjer til at opdage et nyt fosformateriale til hvide lysdioder, som er billigt og nemt at lave. Forskere byggede prototype hvide LED-pærer ved hjælp af den nye fosfor. Prototyperne udviste bedre farvekvalitet end mange kommercielle LED'er på markedet i øjeblikket.

Forskere offentliggjorde den nye fosfor den 19. februar i tidsskriftet Joule .

Fosfor, som er stoffer, der udsender lys, er en af ​​nøgleingredienserne til fremstilling af hvide LED'er. De er krystallinske pulvere, der absorberer energi fra blåt eller nær-UV-lys og udsender lys i det synlige spektrum. Kombinationen af ​​det forskellige farvede lys skaber hvidt lys.

De fosfor, der bruges i mange kommercielle hvide LED'er, har flere ulemper, imidlertid. Mange er lavet af sjældne jordarters grundstoffer, som er dyre, og nogle er svære at fremstille. De producerer også LED'er med dårlig farvekvalitet.

Forskere ved UC San Diego og Chonnam National University i Korea opdagede og udviklede en ny fosfor, der undgår disse problemer. Den er for det meste lavet af jordrige elementer; det kan fremstilles ved hjælp af industrielle metoder; og det producerer LED'er, der gengiver farver mere levende og præcist.

Den nye fosfor - lavet af grundstofferne strontium, lithium, aluminium og oxygen (en kombination kaldet "SLAO") - blev opdaget ved hjælp af en systematisk, high-throughput beregningsmetode udviklet i laboratoriet hos Shyue Ping Ong, en nanoingeniørprofessor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og hovedefterforsker af undersøgelsen. Ongs team brugte supercomputere til at forudsige SLAO, som er det første kendte materiale lavet af grundstofferne strontium, lithium, aluminium og oxygen. Beregninger forudsagde også, at dette materiale ville være stabilt og fungere godt som LED-phosphor. For eksempel, det blev forudsagt at absorbere lys i den nær-UV og blå region og have høj fotoluminescens, som er materialets evne til at udsende lys, når det exciteres af en lyskilde med højere energi.

Forskere i laboratoriet af Joanna McKittrick, professor i materialevidenskab ved Jacobs School of Engineering, fandt derefter ud af den opskrift, der skal til for at lave den nye fosfor. De bekræftede også fosforens forudsagte lysabsorptions- og emissionsegenskaber i laboratoriet.

Et team ledet af materialevidenskabsprofessor Won Bin Im ved Chonnam National University i Korea optimerede fosforopskriften til industriel fremstilling og byggede hvide LED-prototyper med den nye fosfor. De evaluerede LED'erne ved hjælp af Color Rendering Index (CRI), en skala, der vurderer fra 0 til 100, hvor nøjagtige farver vises under en lyskilde. Mange kommercielle lysdioder har CRI-værdier på omkring 80. Lysdioder lavet med den nye fosfor gav CRI-værdier større end 90.

Den beregningsmæssige søgen efter et nyt materiale

Takket være den beregningsmæssige tilgang udviklet af Ongs team, opdagelsen af ​​fosforen tog kun tre måneder - en kort tidsramme sammenlignet med de år med trial-and-error-eksperimenter, det typisk tager at opdage et nyt materiale.

"Beregninger er hurtige, skalerbar og billig. Brug af computere, vi kan hurtigt screene tusindvis af materialer og forudsige kandidater til nye materialer, der endnu ikke er blevet opdaget, " sagde Ong.

Ong, som leder Materials Virtual Lab og er fakultetsmedlem i Sustainable Power and Energy Center ved UC San Diego, bruger en kombination af high-throughput beregninger og maskinlæring til at opdage næste generations materialer til energianvendelser, inklusive batterier, brændselsceller og lysdioder. Beregningerne blev udført ved hjælp af National Science Foundations Extreme Science and Engineering Discovery Environment ved San Diego Supercomputer Center.

I dette studie, Ongs team udarbejdede først en liste over de hyppigst forekommende grundstoffer i kendte fosformaterialer. Til forskernes overraskelse, de fandt, at der ikke er kendte materialer, der indeholder en kombination af strontium, lithium, aluminium og ilt, som er fire almindelige fosforelementer. Ved at bruge en data mining-algoritme, de skabte nye fosforkandidater indeholdende disse elementer og udførte en række førsteprincipberegninger for at forudsige, hvilke der ville fungere godt som en fosfor. Ud af 918 kandidater, SLAO opstod som det førende materiale. Det blev forudsagt at være stabilt og udvise fremragende fotoluminescensegenskaber.

"Det er ikke kun bemærkelsesværdigt, at vi var i stand til at forudsige en ny fosforforbindelse, men en, der er stabil og faktisk kan syntetiseres i laboratoriet, " sagde Zhenbin Wang, en nanoingeniør Ph.D. kandidat i Ongs forskningsgruppe og medførsteforfatter til undersøgelsen.

Fosforens vigtigste begrænsning er dens mindre end ideelle kvanteeffektivitet - hvor effektivt den konverterer indkommende lys til lys af en anden farve - på omkring 32 procent. Imidlertid, forskere bemærker, at den bevarer mere end 88 procent af sin emission ved typiske LED-driftstemperaturer. I kommercielle LED'er, der er normalt en afvejning med farvekvalitet, Ong bemærkede. "Men vi vil have det bedste fra begge verdener. Vi har opnået fremragende farvekvalitet. Nu arbejder vi på at optimere materialet for at forbedre kvanteeffektiviteten, " sagde Ong.