Kraftigt tidligt lys af LED'er

LED-lamper lyser verden mere og mere op. Det globale LED-salg inden for boligbelysning er steget fra fem procent af markedet i 2013 til 40 procent i 2018, ifølge Det Internationale Energiagentur, og andre sektorer afspejler disse tendenser. En uovertruffen energieffektivitet og robusthed har gjort LED-lys populære hos forbrugerne.

Forskere bruger i øjeblikket supercomputere til at få indsigt i krystalstrukturen af ​​nye materialer, der kan gøre LED-belysning endnu lysere og mere overkommelig.

Der er fundet nye egenskaber i et lovende LED-materiale til næste generations solid-state belysning. En undersøgelse fra januar 2020 i kemitidsskriftet ACS Omega afsløret beviser, der peger på en lysere fremtid for kubiske III-nitrider i fotoniske og elektroniske enheder.

"Det vigtigste fund er, at næste generation af LED'er kan, bør, og vil gøre det bedre, "sagde studieforfatter Can Bayram, en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Hans motivation for at studere kubiske III-nitrider stammer fra, at dagens LED mister meget af sin effektivitet under høje indsprøjtningsforhold for strøm, der passerer gennem enheden, nødvendig for generel belysning.

Bayrams laboratorium bygger nyopdagede krystaller atom for atom i det virkelige liv såvel som i deres simuleringer, så de kan korrelere eksperimenter med teori. "Vi har brug for nye materialer, der er skalerbare til at blive brugt til næste generation af belysning, " sagde Bayram. "At søge efter sådanne materialer på en rettidig og præcis måde kræver enorm beregningskraft."

"I denne undersøgelse undersøger vi de grundlæggende egenskaber ved kubikfasede aluminiumgalliumindiumnitridmaterialer" sagde Bayram.

"Til dato, indium galliumnitrid-baseret grøn LED-forskning er blevet begrænset til naturligt forekommende hexagonal-fase enheder. Alligevel har de begrænset magt, effektivitet, hastighed, og båndbredde, især når den udsender den grønne farve. Dette problem gav næring til vores forskning. Vi fandt ud af, at materialer i kubisk fase reducerer det nødvendige indiumindhold for den grønne farveemission med ti procent på grund af et lavere båndgab. Også, de firedobler strålingsrekombinationsdynamikken i kraft af deres nulpolarisering. "undersøgte medforfatter og kandidatstuderende Yi-Chia Tsai.

Bayram beskriver den beregningsmodel, der blev brugt som "eksperimentelt bekræftet". "De beregnede grundlæggende materialeegenskaber er så nøjagtige, at beregningsmæssige fund næsten matcher de eksperimentelle, " han sagde.

Han forklarede, at det er udfordrende at modellere sammensatte halvledere såsom galliumnitrid, fordi de er sammensatte, i modsætning til elementære halvledere som silicium eller germanium. Modellering af legeringer af de sammensatte halvledere, såsom aluminium galliumnitrid, er yderligere udfordrende, fordi som man siger, det handler om placering, Beliggenhed, Beliggenhed. Relative atompositioner betyder noget.

"I en enhedscelleskitse af en krystallografiklasse, Al- og Ga-atomer er udskiftelige. Men det er ikke tilfældet i vores beregningsforskning, Bayram forklarede.  Det er fordi hvert atom og dets relative position betyder noget, når du simulerer enhedscellen, et lille volumen af ​​hele halvledermaterialet.

"Vi simulerer enhedscellen for at spare beregningsressourcer og bruger korrekte grænsebetingelser til at udlede hele materialets egenskaber. Således, vi var nødt til at simulere alle mulige enhedscellekombinationer og konkludere i overensstemmelse hermed - denne tilgang gav den bedste beregningsmæssige matchning til de eksperimentelle, " sagde Bayram. Ved at bruge denne tilgang, de udforskede yderligere nye, men ikke eksperimentelt realiserede materialer.

For at overvinde de beregningsmæssige udfordringer, Bayram og Tsai ansøgte om og blev tildelt supercomputertildelinger af Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE er et enkelt virtuelt system finansieret af National Science Foundation, som videnskabsmænd kan bruge til interaktivt at dele computerressourcer, data, og ekspertise. XSEDE-allokerede Stampede2 og Ranch-systemer på Texas Advanced Computing Center understøttede Bayrams simuleringer og datalagring.

"XSEDE er en unik ressource. Vi bruger primært den avancerede XSEDE-hardware til at muliggøre materialeberegninger. For det første, Jeg vil understrege, at XSEDE er en enabler. Uden XSEDE, vi kunne ikke udføre denne undersøgelse. Vi startede med Startup derefter Research allocation grants. XSEDE – i løbet af de sidste to år – har givet os forskningstildelinger til en værdi af næsten $20, 000 også. Når den er implementeret, resultatet af vores forskning vil spare milliarder af dollars årligt i energibesparelser alene, " sagde Bayram.

Bayram understregede, at ikke-forskere kan drage fordel af denne grundforskning i prototype LED-materialer. "Vi har alle brug for belysning, nu mere end nogensinde. Vi har ikke kun brug for belysning for at se. Vi har brug for det til havebrug. Vi har brug for det til kommunikation. We need it for medicine. One percent efficiency increase in general lighting will save us $6 billion annually. In financial terms alone, this is a million times return on investment, " han sagde.

For any semiconductor device, scientists strive to understand the impurities within. The next stage in Bayram's research is to understand how impurities impact new materials and to explore how to dope the new material effectively. Through searching the most promising periodic table groups, he said they're looking for the best elemental dopants, which will eventually help the experimental realization of devices immensely.

Said Bayram:"Supercomputers are super-multipliers. They super-multiply fundamental research into mainstream industry. One measure of success comes when the research outcome promises a unique solution. A one-time investment of $20K into our computational quest will at least lead to $6 billion in savings annually. If not, meaning that the research outcome eliminates this material for further investigation, this early investment will help the industry save millions of dollars and research-hours. Our initial findings are quite promising, and regardless of the outcome the research will ultimately benefit society."

The study, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, " blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Omega on January 30, 2020. The study co-authors are Yi-Chia Tsai and Can Bayram, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign. This work is supported by the National Science Foundation Faculty Early Career Development (CAREER) Program under award number NSF-ECCS-16-52871. The authors acknowledge the computational resources allocated by the Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) with Nos. TG-DMR180050 and TG-DMR180075.