LED-lampen verlichten de wereld steeds meer. De wereldwijde verkoop van leds in woonverlichting is gestegen van vijf procent van de markt in 2013 tot 40 procent in 2018, volgens het Internationaal Energie Agentschap, en andere sectoren weerspiegelen deze trends. Een ongeëvenaarde energie-efficiëntie en robuustheid hebben LED-verlichting populair gemaakt bij consumenten.

Wetenschappers gebruiken momenteel supercomputers om inzicht te krijgen in de kristalstructuur van nieuwe materialen die LED-verlichting nog helderder en betaalbaarder kunnen maken.

Er zijn nieuwe eigenschappen gevonden in een veelbelovend LED-materiaal voor solid-state verlichting van de volgende generatie. Een studie van januari 2020 in het scheikundetijdschrift ACS Omega onthulde bewijs dat wijst op een betere toekomst voor kubische III-nitriden in fotonische en elektronische apparaten.

"De belangrijkste bevinding is dat LED's van de volgende generatie, zou moeten, en zal het beter doen, " zei co-auteur van de studie Can Bayram, een assistent-professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Zijn motivatie voor het bestuderen van kubische III-nitriden komt voort uit het feit dat de huidige LED veel van zijn efficiëntie verliest onder hoge injectieomstandigheden van stroom die door het apparaat gaat, nodig voor algemene verlichting.

Het laboratorium van Bayram bouwt nieuw ontdekte kristallen atoom voor atoom, zowel in het echte leven als in hun simulaties, zodat ze experimenten met theorie kunnen correleren. "We hebben nieuwe materialen nodig die schaalbaar zijn om te worden gebruikt voor de volgende generatie verlichting, "Zei Bayram. "Zoeken naar dergelijke materialen op een tijdige en nauwkeurige manier vereist enorme rekenkracht."

"In deze studie onderzoeken we de fundamentele eigenschappen van kubische fase aluminium gallium indium nitride materialen", zei Bayram.

"Daten, Op indium galliumnitride gebaseerde groene LED-onderzoek is beperkt tot natuurlijk voorkomende hexagonale fase-apparaten. Toch zijn ze beperkt in macht, efficiëntie, snelheid, en bandbreedte, vooral bij het uitstralen van de groene kleur. Dit probleem voedde ons onderzoek. We ontdekten dat kubische fasematerialen het benodigde indiumgehalte voor de groene kleuremissie met tien procent verminderen vanwege een lagere bandgap. Ook, ze verviervoudigen de dynamiek van stralingsrecombinatie dankzij hun nulpolarisatie." studie co-auteur en afgestudeerde student Yi-Chia Tsai toegevoegd.

Bayram beschrijft het gebruikte rekenmodel als 'experimenteel bevestigd'. "De berekende fundamentele materiaaleigenschappen zijn zo nauwkeurig dat computationele bevindingen bijna een-op-een overeenkomen met de experimentele, " hij zei.

Hij legde uit dat het een uitdaging is om samengestelde halfgeleiders zoals galliumnitride te modelleren omdat ze samengesteld zijn, in tegenstelling tot elementaire halfgeleiders zoals silicium of germanium. Modellering van legeringen van de samengestelde halfgeleiders, zoals aluminiumgalliumnitride, zijn een nog grotere uitdaging omdat, zoals het gezegde gaat, het draait allemaal om de locatie, plaats, plaats. Relatieve atomaire posities zijn belangrijk.

"In een eenheidscelschets van een kristallografieklas, Al- en Ga-atomen zijn onderling uitwisselbaar. Maar niet zo in ons computationeel onderzoek, " legde Bayram uit. Dat komt omdat elk atoom en zijn relatieve positie ertoe doen wanneer je de eenheidscel simuleert, een klein volume van het gehele halfgeleidermateriaal.

"We simuleren de eenheidscel om rekenkracht te besparen en gebruiken de juiste randvoorwaarden om de volledige materiaaleigenschappen af ​​te leiden. we moesten alle mogelijke eenheidscelcombinaties simuleren en dienovereenkomstig afleiden - deze benadering gaf de beste computationele aanpassing aan de experimentele, " zei Bayram. Met behulp van deze aanpak, ze verkenden verder nieuwe, maar niet experimenteel gerealiseerde materialen.

Om de rekenproblemen te overwinnen, Bayram en Tsai hebben supercomputertoewijzingen aangevraagd en gekregen van de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE is een enkel virtueel systeem gefinancierd door de National Science Foundation dat wetenschappers kunnen gebruiken om computerbronnen interactief te delen, gegevens, en deskundigheid. Door XSEDE toegewezen Stampede2- en Ranch-systemen in het Texas Advanced Computing Center ondersteunden Bayrams simulaties en gegevensopslag.

"XSEDE is een unieke bron. We gebruiken voornamelijk de ultramoderne XSEDE-hardware om materiaalberekeningen mogelijk te maken. Ten eerste, Ik wil benadrukken dat XSEDE een enabler is. Zonder XSEDE, we konden dit onderzoek niet uitvoeren. We zijn begonnen met Startup en vervolgens met onderzoekstoewijzingen. XSEDE - in de afgelopen twee jaar - heeft ons onderzoekstoewijzingen ter waarde van bijna $ 20 opgeleverd, 000 ook. Eenmaal geïmplementeerd, de uitkomst van ons onderzoek zal alleen al miljarden dollars per jaar besparen aan energiebesparingen, ' zei Bayram.

Bayram benadrukte dat niet-wetenschappers kunnen profiteren van dit fundamentele onderzoek naar prototype LED-materialen. "We hebben allemaal verlichting nodig, nu meer dan ooit. We hebben niet alleen verlichting nodig om te zien. We hebben het nodig voor de tuinbouw. We need it for communication. 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, " hij zei.

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, " was published in the journal 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.