Een team onder leiding van ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego heeft datamining en rekentools gebruikt om een ​​nieuw fosformateriaal voor witte LED's te ontdekken dat goedkoop en gemakkelijk te maken is. Onderzoekers bouwden prototype witte LED-lampen met behulp van de nieuwe fosfor. De prototypes vertoonden een betere kleurkwaliteit dan veel commerciële LED's die momenteel op de markt zijn.

Onderzoekers publiceerden de nieuwe fosfor op 19 februari in het tijdschrift Joule .

Fosforen, dat zijn stoffen die licht uitstralen, zijn een van de belangrijkste ingrediënten om witte LED's te maken. Het zijn kristallijne poeders die energie absorberen van blauw of bijna-UV-licht en licht uitstralen in het zichtbare spectrum. De combinatie van het verschillende gekleurde licht zorgt voor wit licht.

De fosforen die in veel commerciële witte LED's worden gebruikt, hebben verschillende nadelen, echter. Velen zijn gemaakt van zeldzame aardelementen, die duur zijn, en sommige zijn moeilijk te vervaardigen. Ze produceren ook LED's met een slechte kleurkwaliteit.

Onderzoekers van UC San Diego en Chonnam National University in Korea hebben een nieuwe fosfor ontdekt en ontwikkeld die deze problemen vermijdt. Het is meestal gemaakt van aarde-overvloedige elementen; het kan worden gemaakt met behulp van industriële methoden; en het produceert LED's die kleuren levendiger en nauwkeuriger weergeven.

De nieuwe fosfor - gemaakt van de elementen strontium, lithium, aluminium en zuurstof (een combinatie genaamd "SLAO") - werd ontdekt met behulp van een systematische, high-throughput computationele benadering ontwikkeld in het lab van Shyue Ping Ong, een professor nanoengineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en hoofdonderzoeker van het onderzoek. Ongs team gebruikte supercomputers om SLAO te voorspellen, dat is het eerste bekende materiaal gemaakt van de elementen strontium, lithium, aluminium en zuurstof. Berekeningen voorspelden ook dat dit materiaal stabiel zou zijn en goed zou presteren als LED-fosfor. Bijvoorbeeld, er werd voorspeld dat het licht absorbeert in het bijna UV- en blauwe gebied en een hoge fotoluminescentie heeft, dat is het vermogen van het materiaal om licht uit te stralen wanneer het wordt aangeslagen door een lichtbron met hogere energie.

Onderzoekers in het lab van Joanna McKittrick, een professor materiaalwetenschappen aan de Jacobs School of Engineering, bedacht toen het recept dat nodig was om de nieuwe fosfor te maken. Ze bevestigden ook de voorspelde lichtabsorptie- en emissie-eigenschappen van de fosfor in het laboratorium.

Een team onder leiding van materiaalwetenschapsprofessor Won Bin Im aan de Chonnam National University in Korea optimaliseerde het fosforrecept voor industriële productie en bouwde witte LED-prototypes met de nieuwe fosfor. Ze evalueerden de LED's met behulp van de Color Rendering Index (CRI), een schaal die van 0 tot 100 beoordeelt hoe nauwkeurig kleuren worden weergegeven onder een lichtbron. Veel commerciële LED's hebben CRI-waarden van rond de 80. LED's gemaakt met de nieuwe fosfor leverden CRI-waarden van meer dan 90 op.

De computationele zoektocht naar een nieuw materiaal

Dankzij de computationele benadering ontwikkeld door het team van Ong, de ontdekking van de fosfor duurde slechts drie maanden - een kort tijdsbestek vergeleken met de jaren van trial-and-error-experimenten die gewoonlijk nodig zijn om een ​​nieuw materiaal te ontdekken.

"Berekeningen zijn snel, schaalbaar en goedkoop. Computers gebruiken, we kunnen snel duizenden materialen screenen en kandidaten voorspellen voor nieuwe materialen die nog niet zijn ontdekt, ' zei Ong.

ong, die het Materials Virtual Lab leidt en faculteitslid is in het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego, gebruikt een combinatie van berekeningen met hoge doorvoer en machine learning om materialen van de volgende generatie voor energietoepassingen te ontdekken, inclusief batterijen, brandstofcellen en leds. De berekeningen zijn uitgevoerd met behulp van de Extreme Science and Engineering Discovery Environment van de National Science Foundation in het San Diego Supercomputer Center.

In dit onderzoek, Het team van Ong stelde eerst een lijst samen van de meest voorkomende elementen in bekende fosformaterialen. Tot verbazing van de onderzoekers ze ontdekten dat er geen materialen bekend zijn die een combinatie van strontium, lithium, aluminium en zuurstof, die vier gemeenschappelijke fosforelementen zijn. Met behulp van een datamining-algoritme, ze creëerden nieuwe fosforkandidaten die deze elementen bevatten en voerden een reeks eerste-principeberekeningen uit om te voorspellen welke goed zouden presteren als fosfor. Van de 918 kandidaten, SLAO kwam naar voren als het leidende materiaal. Er werd voorspeld dat het stabiel zou zijn en uitstekende fotoluminescentie-eigenschappen zou vertonen.

"Het is niet alleen opmerkelijk dat we een nieuwe fosforverbinding konden voorspellen, maar een die stabiel is en in het laboratorium kan worden gesynthetiseerd, " zei Zhenbin Wang, een nano-engineering Ph.D. kandidaat in de onderzoeksgroep van Ong en co-eerste auteur van de studie.

De belangrijkste beperking van de fosfor is de minder dan ideale kwantumefficiëntie - hoe efficiënt het inkomend licht omzet in licht van een andere kleur - van ongeveer 32 procent. Echter, onderzoekers merken op dat het meer dan 88 procent van zijn emissie behoudt bij typische LED-bedrijfstemperaturen. In commerciële LED's, er is meestal een afweging met kleurkwaliteit, merkte Ong op. "Maar we willen het beste van twee werelden. We hebben een uitstekende kleurkwaliteit bereikt. Nu werken we aan het optimaliseren van het materiaal om de kwantumefficiëntie te verbeteren, ' zei Ong.