Nanostructuren die half zo breed zijn als een DNA-streng zouden de efficiëntie van lichtgevende diodes (LED's) kunnen verbeteren. vooral in de "groene kloof, " een deel van het spectrum waar LED-efficiëntie daalt, simulaties bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Amerikaanse Department of Energy hebben dit aangetoond.

Met behulp van NERSC's Cray XC30 supercomputer "Edison, " Onderzoekers van de Universiteit van Michigan, Dylan Bayerl en Emmanouil Kioupakis, ontdekten dat de halfgeleider indiumnitride (InN), die typisch infrarood licht uitzendt, zal groen licht uitstralen als het wordt teruggebracht tot draden van 1 nanometer breed. Bovendien, gewoon door hun maten te variëren, deze nanostructuren kunnen worden aangepast om verschillende kleuren licht uit te stralen, wat zou kunnen leiden tot een natuurlijker uitziende witte verlichting, terwijl een deel van het efficiëntieverlies wordt vermeden dat hedendaagse LED's ervaren bij hoog vermogen.

"Ons werk suggereert dat indiumnitride in het bereik van enkele nanometers een veelbelovende benadering biedt voor efficiënte engineering, emissie van zichtbaar licht bij aangepaste golflengten, " zei Kioupakis. Hun resultaten, online gepubliceerd in februari als "Visible-Wavelength Polarized Light Emission with Small-Diameter InN Nanowires, " en zal te zien zijn op de omslag van het juli-nummer van Nano-letters .

LED's zijn halfgeleiderapparaten die licht uitstralen wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd. De LED's van vandaag worden gemaakt als meerlagige microchips. De buitenste lagen zijn gedoteerd met elementen die een overvloed aan elektronen creëren op de ene laag en te weinig op de andere. De ontbrekende elektronen worden gaten genoemd. Wanneer de chip wordt geactiveerd, de elektronen en gaten worden tegen elkaar gedrukt, beperkt tot de tussenliggende kwantumbronlaag waar ze worden aangetrokken om te combineren, hun overtollige energie afstoten (idealiter) door een foton van licht uit te zenden.

Bij laag vermogen, op nitride gebaseerde LED's (die het meest worden gebruikt in witte verlichting) zijn zeer efficiënt, het grootste deel van hun energie omzetten in licht. Maar zet het vermogen op een niveau dat een kamer zou kunnen verlichten en de efficiëntie keldert, wat betekent dat een kleinere fractie van elektriciteit wordt omgezet in licht. Dit effect is vooral uitgesproken bij groene LED's, waardoor de term "groene kloof" ontstond.

Nanomaterialen bieden het verleidelijke vooruitzicht van LED's die kunnen worden "gekweekt" in arrays van nanodraden, stippen of kristallen. De resulterende LED's kunnen niet alleen dun zijn, flexibel en met hoge resolutie, maar zeer efficiënt, ook.

"Als je de afmetingen van een materiaal verkleint tot ongeveer net zo breed als de atomen waaruit het bestaat, dan krijg je kwantumopsluiting. De elektronen worden in een klein gebied van de ruimte geperst, het vergroten van de bandgap-energie, " zei Kioupakis. Dat betekent dat de fotonen die worden uitgezonden wanneer elektronen en gaten worden gecombineerd, energieker zijn, kortere golflengten van licht produceren.

Het energieverschil tussen de elektronen en gaten van een LED, de bandgap genoemd, bepaalt de golflengte van het uitgezonden licht. Hoe groter de bandgap, hoe korter de golflengte van het licht. De bandgap voor bulk InN is vrij smal, slechts 0,6 elektronvolt (eV), dus het produceert infrarood licht. In de gesimuleerde InN-nanostructuren van Bayerl en Kioupakis, de berekende bandgap nam toe, wat leidde tot de voorspelling dat groen licht zou worden geproduceerd met een energie van 2,3 eV.

"Als we groen licht kunnen krijgen door de elektronen in deze draad tot op een nanometer te verkleinen, dan kunnen we andere kleuren krijgen door de breedte van de draad aan te passen, " zei Kioupakis. Een bredere draad zou geel moeten opleveren, oranje of rood. Een smallere draad, indigo of violet.

Dat is een goed voorteken voor het creëren van meer natuurlijk ogend licht van LED's. Door rood te mengen, groene en blauwe LED-ingenieurs kunnen wit licht fijn afstemmen op warmer, meer aangename tinten. Deze "directe" methode is tegenwoordig niet praktisch omdat groene LED's niet zo efficiënt zijn als hun blauwe en rode tegenhangers. In plaats daarvan, de meeste witte verlichting is tegenwoordig afkomstig van blauw LED-licht dat door een fosfor wordt geleid, een oplossing vergelijkbaar met TL-verlichting en niet veel efficiënter. Directe LED-verlichting zou niet alleen efficiënter zijn, maar de kleur van het licht dat ze produceren, kan dynamisch worden afgestemd op het tijdstip van de dag of de taak die voorhanden is.

Met pure InN, in plaats van lagen van gelegeerde nitridematerialen, zou één factor elimineren die bijdraagt ​​​​aan de inefficiëntie van groene LED's:fluctuaties in de samenstelling op nanoschaal in de legeringen. Het is aangetoond dat deze een aanzienlijke invloed hebben op de LED-efficiëntie.

Ook, het gebruik van nanodraden om LED's te maken elimineert het "rooster-mismatch"-probleem van gelaagde apparaten. "Als de twee materialen niet dezelfde afstand tussen hun atomen hebben en je groeit over elkaar heen, het belast de structuur, die de gaten en elektronen verder uit elkaar beweegt, waardoor ze minder snel recombineren en licht uitstralen, " zei Kioupakis, die dit effect ontdekten in eerder onderzoek dat ook gebruikmaakte van NERSC-bronnen. "In een nanodraad gemaakt van een enkel materiaal, je hebt deze mismatch niet en dus kun je een betere efficiëntie krijgen, " hij legde uit.

De onderzoekers vermoeden ook dat de sterke kwantumopsluiting van de nanodraad bijdraagt ​​aan de efficiëntie door de gaten en elektronen dichter bij elkaar te drukken, een onderwerp voor toekomstig onderzoek. "Door de elektronen en gaten dichter bij elkaar te brengen in de nanostructuur, wordt hun onderlinge aantrekkingskracht vergroot en is de kans groter dat ze zullen recombineren en licht zullen uitzenden." zei Kioupakis.

Hoewel dit resultaat de weg wijst naar een veelbelovende verkenningsroute, de onderzoekers benadrukken dat zulke kleine nanodraden moeilijk te synthetiseren zijn. Echter, ze vermoeden dat hun bevindingen kunnen worden gegeneraliseerd naar andere soorten nanostructuren, zoals ingebedde InN nanokristallen, die al met succes zijn gesynthetiseerd in het bereik van enkele nanometers.

NERSC's nieuwste vlaggenschip supercomputer (genaamd "Edison" ter ere van de Amerikaanse uitvinder Thomas Edison) speelde een belangrijke rol in hun onderzoek, zei Bayerl. Dankzij de duizenden rekenkernen en het hoge geheugen per node van het systeem kon Bayerl massaal parallelle berekeningen uitvoeren met vele terabytes aan gegevens opgeslagen in RAM, waardoor de InN-nanodraadsimulatie mogelijk werd. "We hebben ook enorm geprofiteerd van de deskundige ondersteuning van het NERSC-personeel, " zei Bayerl. Burlen Loring van NERSC's Analytics Group maakte visualisaties voor het onderzoek, inclusief de omslagafbeelding van het tijdschrift. De onderzoekers gebruikten ook de open-source BerkeleyGW-code, ontwikkeld door Jack Deslippe van NERSC.