Lichtgevende dioden, of LED's, zijn bijna alomtegenwoordig in het moderne leven, het verstrekken van de helderheid in telefoonschermen, televisies, en lichten. Een nieuwe vorm van LED's, gemaakt van een klasse materialen genaamd halide perovskieten, belooft een hogere kleurkwaliteit en fabricagegemak, maar het is bekend dat het faalt wanneer het wordt blootgesteld aan het soort elektrische stroom dat typisch nodig is voor praktisch gebruik. Nutsvoorzieningen, Barry Rand, universitair hoofddocent elektrotechniek en het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu, en een team van onderzoekers heeft de stabiliteit en prestaties van het materiaal aanzienlijk verbeterd door de warmte die door de LED's wordt gegenereerd beter te beheren.

Het onderzoek, gepubliceerd in Geavanceerde materialen , identificeert verschillende technieken die de ophoping van warmte in het materiaal verminderen, die zijn levensduur vertienvoudigde. Toen de onderzoekers voorkwamen dat het apparaat oververhit raakte, ze waren in staat om er genoeg stroom in te pompen om licht te produceren dat honderden keren intenser is dan een typisch scherm van een mobiele telefoon. De intensiteit, gemeten in watt per vierkante meter, reflecteert de werkelijke hoeveelheid licht die van een apparaat komt, niet beïnvloed door menselijke ogen of de kleur van het licht. Eerder, een dergelijk stroomniveau zou de LED hebben doen uitvallen.

De vooruitgang vestigt een nieuw helderheidsrecord en verlegt de grenzen van wat mogelijk is voor het materiaal door de gevestigde eigenschappen van perovskiet-LED's te verbeteren en deze eigenschappen praktisch te benutten.

"Het is de eerste keer dat we hebben aangetoond dat warmte het belangrijkste knelpunt lijkt te zijn voor deze materialen die bij hoge stromen werken, "zei Rand. "Dit betekent dat het materiaal kan worden gebruikt voor felle lichten en displays, wat nooit voor mogelijk werd gehouden."

Rand, die tevens associate director externe partnerships is bij het Andlinger Center, zei dat er nu duidelijke wegen openstaan ​​voor verdere ontwikkeling, maar waarschuwde dat de technologie nog 10 tot 20 jaar verwijderd is van grootschalig commercieel gebruik.

Om de ophoping van Joule-warmte in het apparaat te beperken, of het type warmte dat het gevolg is van elektrische stroom, de onderzoekers gingen methodisch in op de belangrijkste elementen. Ze hebben de samenstelling van het materiaal in het apparaat ontworpen om het elektrisch geleidend te maken en, daarom, genereren minder warmte tijdens bedrijf. Ze maakten de apparaten smaller dan normaal, ongeveer een tiende zo dun als een lok mensenhaar, om een ​​betere warmteverspreiding mogelijk te maken. En, ze voegden koellichamen toe, of componenten die warmte wegleiden van gevoelige elektrische componenten, die hielpen om de hitte te verspreiden.

Toen deze sleutelelementen eenmaal op hun plaats waren, ze gebruikten een tactiek om het apparaat voortdurend te "pulsen", of zet hem snel aan en uit, zo snel dat een menselijk oog de flikkering niet kon zien, maar genoeg tijd voor het apparaat om te herstellen en af ​​te koelen. Voor dit deel van het werk ze maakten gebruik van de expertise van co-auteur Claire Gmachl, de Eugene Higgins hoogleraar elektrotechniek. Door de tijd dat het apparaat daadwerkelijk aan stond te verminderen, de onderzoekers bereikten efficiëntieverbeteringen, en konden het apparaat langer gebruiken dan ooit was gemeld. Rand beschrijft het werk als een "how-to"-gids voor het bedienen van perovskiet-LED's bij de hoge vermogensdichtheden die nodig zijn voor verlichting en heldere displays.

Lianfeng Zhao, eerste auteur op het papier en een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Elektrotechniek, zei dat het onderzoek de heersende gedachte in het veld weerlegt dat perovskieten intrinsiek niet efficiënt zouden kunnen werken bij hoge vermogensdichtheden.

Het werk is een "belangrijke doorbraak" voor het veld, zei Feng Gao, een professor in het departement Natuurkunde, Scheikunde en Biologie aan de Universiteit van Linköping in Zweden, en een expert in organische en perovskiethalfgeleiders voor energietechnologieën.

"Het verminderen van de Joule-verwarming is een belangrijke uitdaging voor perovskiet-LED's op weg naar een hoge helderheid en stabiliteit op lange termijn, " zei Gao. "De resultaten zijn echt bemoedigend voor de aanstaande commercialisering van verlichting en displays op basis van perovskietmaterialen."

Tot nu, onderzoekers hadden gedacht dat perovskiet-LED's nuttig zouden zijn voor het produceren van slechts matige helderheidsniveaus, maar niet voor verlichting of ultraheldere schermen op mobiele telefoons en laptopschermen.

"We hebben de reikwijdte van mogelijke toepassingen vergroot, ' zei Zhao.

Een van de meest aansprekende onderdelen van perovskiet-LED's is de manier waarop ze worden vervaardigd, die veel minder energie vereist dan de productie van conventionele anorganische LED's die tegenwoordig voor verlichting worden gebruikt. Conventionele LED's zijn gemaakt van een stuk eenkristal, dat is erg moeilijk en duur om te produceren en vereist vaak ultrahoogvacuümsystemen en temperaturen van meer dan 1000 graden Celsius. Perovskietmaterialen worden meestal gemaakt bij temperaturen onder 100 graden Celsius, en gevormd uit oplossingen in een proces vergelijkbaar met inkjetprinten. Als de technologie gecommercialiseerd zou worden, het zou waarschijnlijk resulteren in een aanzienlijke vermindering van de benodigde energie en de ecologische voetafdruk van deze elektronica, zowel bij de fabricage als bij de werking.

Perovskiet-LED's produceren een zuivere, geconcentreerde kleur, en de onderzoekers hopen het materiaal ook te gebruiken om goedkope, eenvoudig te maken lasers. En meer in het algemeen, Rand en Zhao zeiden dat ze zullen blijven bestuderen hoe het materiaal werkt om de eigenschappen ervan beter te begrijpen om een ​​hogere kwaliteit te maken, duurzaam, en efficiënte apparaten.

"Dit is een vrij belangrijke mijlpaal, "zei Rand. "Het is niet alleen belangrijk voor ons onderzoek, maar ook voor technologen, ontwerpers, en de elektronica-industrie. We denken dat er een mooie toekomst is voor het materiaal."