Effektivitetens mikroskopiske oprindelse falder i lysdioder

Lysemitterende dioder – eller LED'er, som de er almindeligt kendte - har langsomt erstattet glødepærer i applikationer lige fra bilbaglygter til indikatorer på elektronik siden deres opfindelse i 1960'erne.

Undgå glødetråden fra en glødepære og kviksølvdampen fra en fluorescerende pære, LED'er genererer i stedet lys ved at påføre en spænding over en halvleder. Elektroner kombineres med huller (steder i den krystallinske struktur, hvor en elektron kunne, men ikke eksisterer, gør dem positivt ladede), fører til emission af fotoner - lyspartikler.

De fleste lysdioder bruger halvledere lavet af et materiale kaldet galliumnitrid (GaN). Disse GaN LED'er er pålidelige og sikre, men har den ulempe, at de hurtigt bliver ineffektive, da spændingen opskaleres, et fænomen kaldet "effektivitetsdroop".

"Mere end 10 procent af elektriciteten, der produceres i USA, bruges til belysning i erhvervs- og boligsektoren. Et skifte til den udbredte brug af LED-belysning ville føre til dramatiske energibesparelser, men effektivitetsfald er en stor blokering, " siger Marco Bernardi, assisterende professor i anvendt fysik og materialevidenskab i Division of Engineering and Applied Science ved Caltech og tilsvarende forfatter til et nyligt papir om kilden til effektivitetsdroop, der blev offentliggjort i Nano Letters.

Effektivitetsfald opstår, når exciterede elektroner overskrider nanometerdybe kvantebrønde i GaN. Brøndene er designet til at fange elektroner til at kombinere med huller. Når elektroner er for energiske til at blive fanget af brøndene, de lækker ud af LED-enheder uden at udsende noget lys.

"Der er blevet foreslået flere modeller for at forklare denne elektronlækage, men de har en tendens til at fokusere på kvalitative analyser, der bruger intuition til at retfærdiggøre eksperimentelle beviser, " siger Bernardi.

Ved at bruge nye beregningsmetoder udviklet hos Caltech, et hold ledet af Bernardi studerede GaN på atomniveau, og hvordan gittervibrationer - baggrunden "brum" af atomare termiske bevægelser i et fast stof - påvirker elektroner i materialet. Det var kendt, at denne brummen dræner energi fra både elektroner og huller. Imidlertid, Bernardi fandt ud af, at drænet sker hurtigere for huller end elektroner - et misforhold, der gør det muligt for elektronerne at overskride kvantebrønde, undslippe GaN uden nogensinde at kombinere med huller og udsende lys.

"Vores arbejde viser for første gang, at den altid tilstedeværende interaktion mellem elektroner med gittervibrationer kan, af sig selv, forklare hvorfor exciterede elektroner kan lække ud af det aktive lag og tage højde for ineffektivitet i GaN LED'er, " siger Bernardi.

Bernardi og hans kolleger er endnu ikke færdige med at efterforske faldet i GaN. Næste, de planlægger at studere, hvordan fald afhænger af temperatur og andre materialeegenskaber.

Undersøgelsen har titlen "Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Drop."