Light-emitting diodes - of LED's, zoals ze algemeen bekend zijn, zijn sinds hun uitvinding in de jaren zestig langzaamaan gloeilampen aan het vervangen in toepassingen variërend van auto-achterlichten tot knipperlichten op elektronica.

Mijd de gloeidraad van een gloeilamp en de kwikdamp van een fluorescentielamp, LED's genereren in plaats daarvan licht door een spanning over een halfgeleider aan te leggen. Elektronen combineren met gaten (plaatsen in de kristallijne structuur waar een elektron zou kunnen maar niet bestaat, waardoor ze positief geladen zijn), wat leidt tot de emissie van fotonen - lichtdeeltjes.

De meeste LED's gebruiken halfgeleiders die zijn gemaakt van een materiaal dat galliumnitride (GaN) wordt genoemd. Deze GaN-leds zijn betrouwbaar en veilig, maar hebben het nadeel dat ze snel inefficiënt worden naarmate de spanning wordt opgeschaald, een fenomeen dat 'efficiency droop' wordt genoemd.

"Meer dan 10 procent van de elektriciteit die in de VS wordt opgewekt, wordt gebruikt voor verlichting in de commerciële en residentiële sector. Een overstap naar het wijdverbreide gebruik van LED-verlichting zou leiden tot enorme energiebesparingen, maar efficiëntieverlies is een grote wegversperring, " zegt Marco Bernardi, assistent-professor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde bij de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech en corresponderend auteur van een recent artikel over de bron van efficiëntieverlies dat werd gepubliceerd in Nano Letters.

Efficiency droop treedt op wanneer geëxciteerde elektronen nanometer-diepe kwantumputten in GaN overschrijden. De putten zijn ontworpen om elektronen op te vangen in combinatie met gaten. Wanneer elektronen te energiek zijn om door de putten te worden opgesloten, ze lekken uit LED-apparaten zonder licht uit te stralen.

"Er zijn verschillende modellen voorgesteld om deze elektronenlekkage te verklaren, maar ze hebben de neiging zich te concentreren op kwalitatieve analyses die intuïtie gebruiken om experimenteel bewijs te rechtvaardigen, ' zegt Bernardi.

Met behulp van nieuwe computationele methoden ontwikkeld bij Caltech, een team onder leiding van Bernardi bestudeerde GaN op atomair niveau en hoe roostertrillingen - het "gezoem" op de achtergrond van atomaire thermische bewegingen in een vaste stof - elektronen in het materiaal beïnvloeden. Het was bekend dat dit gezoem energie onttrekt aan zowel elektronen als gaten. Echter, Bernardi ontdekte dat de afvoer sneller optreedt voor gaten dan voor elektronen - een mismatch waardoor de elektronen de kwantumbronnen voorbijschieten, ontsnappen aan de GaN zonder ooit te combineren met gaten en licht uit te stralen.

"Ons werk laat voor het eerst zien dat de altijd aanwezige interactie tussen elektronen met roostertrillingen kan, op zichzelf, uitleggen waarom geëxciteerde elektronen uit de actieve laag kunnen lekken en inefficiënties in GaN-LED's verklaren, ' zegt Bernardi.

Bernardi en zijn collega's zijn nog niet klaar met het onderzoeken van droop in GaN. Volgende, ze zijn van plan te bestuderen hoe hangen afhangt van temperatuur en andere materiaaleigenschappen.

De studie is getiteld "Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Droop."