Nanostrukturer på en halv DNA-streng viser løfte om effektive LED'er

Nanostrukturer halvdelen af ​​bredden af ​​en DNA -streng kunne forbedre effektiviteten af ​​lysemitterende dioder (LED'er), især i det "grønne hul" "en del af spektret, hvor LED-effektiviteten dykker, simuleringer ved det amerikanske energiministeriums National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) har vist.

Ved at bruge NERSCs Cray XC30 supercomputer "Edison, " University of Michigan-forskere Dylan Bayerl og Emmanouil Kioupakis fandt ud af, at halvlederen indiumnitrid (InN), som typisk udsender infrarødt lys, vil udsende grønt lys, hvis det reduceres til 1 nanometer brede ledninger. I øvrigt, blot ved at variere deres størrelser, disse nanostrukturer kunne skræddersyes til at udsende forskellige lysfarver, hvilket kan føre til mere naturligt udseende hvid belysning, samtidig med at man undgår nogle af de effektivitetstab, dagens LED'er oplever ved høj effekt.

"Vores arbejde tyder på, at indiumnitrid i størrelsesintervallet få nanometer tilbyder en lovende tilgang til ingeniøreffektiv, synlig lysemission ved skræddersyede bølgelængder, " sagde Kioupakis. Deres resultater, offentliggjort online i februar som "Synlig-bølgelængde polariseret lysemission med lille diameter InN Nanowires, " og vil blive vist på forsiden af ​​juli-udgaven af Nano bogstaver .

Lysdioder er halvledere, der udsender lys, når der tilføres en elektrisk strøm. Nutidens LED'er er skabt som flerlagede mikrochips. De ydre lag er dopet med elementer, der skaber en overflod af elektroner på det ene lag og for få på det andet. De manglende elektroner kaldes huller. Når chippen får strøm, elektronerne og hullerne skubbes sammen, begrænset til det mellemliggende kvantebrøndlag, hvor de tiltrækkes til at kombinere, kaste deres overskydende energi (ideelt set) ved at udsende en foton af lys.

Ved lav effekt, nitrid-baserede lysdioder (mest almindeligt brugt i hvid belysning) er meget effektive, konvertere det meste af deres energi til lys. Men skru strømmen op på niveauer, der kan lyse op i et rum, og effektiviteten styrter ned, hvilket betyder, at en mindre del af elektriciteten bliver omdannet til lys. Denne effekt er især udtalt i grønne lysdioder, giver anledning til udtrykket "grønt hul".

Nanomaterialer giver den spændende udsigt til lysdioder, der kan "dyrkes" i arrays af nanotråde, prikker eller krystaller. De resulterende LED'er kunne ikke kun være tynde, fleksibel og høj opløsning, men meget effektiv, såvel.

"Hvis du reducerer dimensionerne af et materiale til at være omtrent lige så bredt som de atomer, der udgør det, så får du kvanteindespærring. Elektronerne presses ind i et lille rum, øge båndgap energien, "Kioupakis sagde. Det betyder, at fotoner, der udsendes, når elektroner og huller kombineres, er mere energiske, producerer kortere bølgelængder af lys.

Energiforskellen mellem en LEDs elektroner og huller, kaldte bandgapet, bestemmer bølgelængden af ​​det udsendte lys. Jo bredere båndgab, jo kortere lysbølgelængde. Båndgabet for bulk InN er ret smalt, kun 0,6 elektronvolt (eV), så det producerer infrarødt lys. I Bayerl og Kioupakis' simulerede InN nanostrukturer, den beregnede båndgap steg, hvilket fører til forudsigelsen af, at grønt lys ville blive produceret med en energi på 2,3 eV.

"Hvis vi kan få grønt lys ved at presse elektronerne i denne ledning ned til en nanometer, så kan vi få andre farver ved at skræddersy trådens bredde, " sagde Kioupakis. En bredere ledning skulle give gul, orange eller rød. En smallere ledning, indigo eller violet.

Det lover godt for at skabe mere naturligt udseende lys fra LED'er. Ved at blande rødt, grønne og blå LED -ingeniører kan finjustere hvidt lys til varmere, mere behagelige nuancer. Denne "direkte" metode er ikke praktisk i dag, fordi grønne lysdioder ikke er så effektive som deres blå og røde modstykker. I stedet, mest hvid belysning i dag kommer fra blåt LED-lys, der passerer gennem en fosfor, en løsning, der ligner fluorescerende belysning og ikke meget mere effektiv. Direkte LED -lys ville ikke kun være mere effektive, men lysets farve, de producerer, kan justeres dynamisk, så det passer til tidspunktet på dagen eller opgaven.

Ved hjælp af ren InN, snarere end lag af legerede nitridmaterialer, ville eliminere en faktor, der bidrager til ineffektiviteten af ​​grønne lysdioder:fluktuationer i nanoskala sammensætning i legeringerne. Disse har vist sig at påvirke LED -effektiviteten betydeligt.

Også, ved hjælp af nanotråde til at lave lysdioder eliminerer problemet med "gitter mismatch" for lagdelte enheder. "Når de to materialer ikke har den samme afstand mellem deres atomer, og du vokser den ene over den anden, det belaster strukturen, som flytter hullerne og elektronerne længere fra hinanden, hvilket gør dem mindre tilbøjelige til at rekombinere og udsende lys, " sagde Kioupakis, som opdagede denne effekt i tidligere forskning, der også trak på NERSC-ressourcer. "I en nanotråd lavet af et enkelt materiale, du har ikke denne uoverensstemmelse, og så du kan få bedre effektivitet, " forklarede han.

Forskerne formoder også, at nanotrådens stærke kvanteindeslutning bidrager til effektivitet ved at klemme hullerne og elektronerne tættere sammen, et emne for fremtidig forskning. "At bringe elektronerne og hullerne tættere sammen i nanostrukturen øger deres gensidige tiltrækning og øger sandsynligheden for, at de rekombinerer og udsender lys." sagde Kioupakis.

Selvom dette resultat viser vejen mod en lovende udforskningsvej, forskerne understreger, at sådanne små nanotråde er svære at syntetisere. Imidlertid, de har mistanke om, at deres resultater kan generaliseres til andre typer nanostrukturer, såsom indlejrede InN nanokrystaller, som allerede er blevet syntetiseret med succes i få nanometer-området.

NERSCs nyeste flagskibs supercomputer (kaldet "Edison" til ære for den amerikanske opfinder Thomas Edison) var medvirkende til deres forskning, sagde Bayerl. Systemets tusindvis af computerkerner og høje hukommelse pr. node gjorde det muligt for Bayerl at udføre massivt parallelle beregninger med mange terabyte data gemt i RAM, hvilket gjorde InN nanowire-simuleringen mulig. "Vi havde også stor gavn af den ekspertstøtte, som NERSC-medarbejdere gav, "sagde Bayerl. Burlen Loring fra NERSC's Analytics Group skabte visualiseringer til undersøgelsen, herunder tidsskriftets omslagsbillede. Forskerne brugte også open source BerkeleyGW-koden, udviklet af NERSCs Jack Deslippe.