Las lámparas LED iluminan cada vez más el mundo. Las ventas globales de LED en iluminación residencial han aumentado del cinco por ciento del mercado en 2013 al 40 por ciento en 2018, según la Agencia Internacional de Energía, y otros sectores reflejan estas tendencias. Una eficiencia energética y una solidez incomparables han hecho que las luces LED sean populares entre los consumidores.

Actualmente, los científicos están utilizando supercomputadoras para obtener información sobre la estructura cristalina de nuevos materiales que podrían hacer que la iluminación LED sea aún más brillante y asequible.

Se han encontrado nuevas propiedades en un material LED prometedor para la iluminación de estado sólido de próxima generación. Un estudio de enero de 2020 en la revista de química ACS Omega reveló evidencia que apunta a un futuro más brillante para los nitruros cúbicos III en dispositivos fotónicos y electrónicos.

"El hallazgo principal es que los LED de próxima generación pueden, deberían, y lo haré mejor, "dijo el coautor del estudio, Can Bayram, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Su motivación para estudiar los nitruros cúbicos III se debe al hecho de que el LED actual pierde gran parte de su eficiencia en condiciones de alta inyección de corriente que pasa a través del dispositivo. necesario para la iluminación general.

El laboratorio de Bayram construye átomo por átomo cristales recién descubiertos en la vida real, así como en sus simulaciones, para que puedan correlacionar los experimentos con la teoría. "Necesitamos nuevos materiales que sean escalables para su uso en la iluminación de próxima generación, ", Dijo Bayram." La búsqueda de tales materiales de manera oportuna y precisa requiere un inmenso poder computacional ".

"En este estudio estamos explorando las propiedades fundamentales de los materiales de nitruro de indio, galio y aluminio en fase cúbica", dijo Bayram.

"Hasta la fecha, La investigación de LED verdes a base de nitruro de galio indio se ha restringido a dispositivos de fase hexagonal de origen natural. Sin embargo, tienen un poder limitado, eficiencia, velocidad, y ancho de banda, particularmente al emitir el color verde. Este problema alimentó nuestra investigación. Descubrimos que los materiales de fase cúbica reducen el contenido de indio necesario para la emisión de color verde en un diez por ciento debido a una menor banda prohibida. También, cuadriplican la dinámica de recombinación radiativa en virtud de su polarización cero ”, agregó el coautor del estudio y estudiante de posgrado Yi-Chia Tsai.

Bayram describe el modelo computacional utilizado como "corroborado experimentalmente". "Las propiedades fundamentales calculadas de los materiales son tan precisas que los hallazgos computacionales coinciden casi uno a uno con los experimentales, " él dijo.

Explicó que es un desafío modelar semiconductores compuestos como el nitruro de galio porque son compuestos, a diferencia de los semiconductores elementales como el silicio o el germanio. Modelado de aleaciones de semiconductores compuestos, como el nitruro de galio y aluminio, son más desafiantes porque, como dice el dicho, se trata de la ubicación, localización, localización. Las posiciones atómicas relativas son importantes.

"En un boceto de celda unitaria de una clase de cristalografía, Los átomos de Al y Ga son intercambiables. Pero no es así en nuestra investigación computacional, "Bayram explicó. Eso es porque cada átomo y su posición relativa son importantes cuando se simula la celda unitaria, un pequeño volumen de todo el material semiconductor.

"Simulamos la celda unitaria para ahorrar recursos computacionales y usamos las condiciones de contorno adecuadas para inferir todas las propiedades del material. Por lo tanto, tuvimos que simular todas las posibles combinaciones de celdas unitarias e inferir en consecuencia; este enfoque proporcionó la mejor coincidencia computacional con las experimentales, ", Dijo Bayram. Con este enfoque, además, exploraron materiales nuevos, aunque no realizados experimentalmente.

Para superar los desafíos computacionales, Bayram y Tsai solicitaron y recibieron asignaciones de supercomputadoras por parte del Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE es un único sistema virtual financiado por la National Science Foundation que los científicos pueden utilizar para compartir de forma interactiva recursos informáticos. datos, y experiencia. Los sistemas Stampede2 y Ranch asignados por XSEDE en el Centro de Computación Avanzada de Texas respaldaron las simulaciones y el almacenamiento de datos de Bayram.

"XSEDE es un recurso único. Utilizamos principalmente el hardware XSEDE de última generación para permitir cálculos de materiales. Primero, Quiero enfatizar que XSEDE es un facilitador. Sin XSEDE, no pudimos realizar esta investigación. Comenzamos con las becas de asignación de Startup y luego Research. XSEDE, durante los últimos dos años, nos proporcionó asignaciones de investigación valoradas en casi $ 20, 000 también. Una vez implementado, el resultado de nuestra investigación ahorrará miles de millones de dólares anualmente solo en ahorro de energía, "Dijo Bayram.

Bayram enfatizó que los no científicos pueden beneficiarse de esta investigación básica en prototipos de materiales LED. "Todos necesitamos iluminación, ahora mas que nunca. No solo necesitamos iluminación para ver. Lo necesitamos para la horticultura. Lo necesitamos para la comunicación. Lo necesitamos como medicina. Un aumento del uno por ciento en la eficiencia de la iluminación general nos permitirá ahorrar 6.000 millones de dólares anuales. Solo en términos financieros, esto es un millón de veces el retorno de la inversión, " él dijo.

Para cualquier dispositivo semiconductor, los científicos se esfuerzan por comprender las impurezas que contienen. 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."

El estudio, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, "fue publicado en la revista ACS Omega on January 30, 2020. The study co-authors are Yi-Chia Tsai and Can Bayram, Department of Electrical and Computer Engineering, Universidad de Illinois en 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.