Un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha utilizado herramientas computacionales y de minería de datos para descubrir un nuevo material de fósforo para LED blancos que es económico y fácil de fabricar. Los investigadores construyeron prototipos de bombillas LED blancas utilizando el nuevo fósforo. Los prototipos exhibieron una mejor calidad de color que muchos LED comerciales actualmente en el mercado.

Los investigadores publicaron el nuevo fósforo el 19 de febrero en la revista Joule .

Fósforos que son sustancias que emiten luz, son uno de los ingredientes clave para fabricar LED blancos. Son polvos cristalinos que absorben energía de la luz azul o casi ultravioleta y emiten luz en el espectro visible. La combinación de la luz de diferentes colores crea una luz blanca.

Los fósforos utilizados en muchos LED blancos comerciales tienen varias desventajas, sin embargo. Muchos están hechos de elementos de tierras raras, que son caras, y algunos son difíciles de fabricar. También producen LED con mala calidad de color.

Investigadores de la UC San Diego y la Universidad Nacional de Chonnam en Corea descubrieron y desarrollaron un nuevo fósforo que evita estos problemas. Está compuesto principalmente de elementos abundantes en la tierra; se puede realizar mediante métodos industriales; y produce LED que reproducen los colores de manera más vívida y precisa.

El nuevo fósforo, hecho de los elementos estroncio, litio, aluminio y oxígeno (una combinación denominada "SLAO") - se descubrió utilizando un sistema enfoque computacional de alto rendimiento desarrollado en el laboratorio de Shyue Ping Ong, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego e investigador principal principal del estudio. El equipo de Ong usó supercomputadoras para predecir SLAO, que es el primer material conocido hecho de los elementos estroncio, litio, Aluminio y Oxigeno. Los cálculos también predijeron que este material sería estable y funcionaría bien como un fósforo LED. Por ejemplo, Se predijo que absorbería la luz en la región azul y ultravioleta cercana y tendría una alta fotoluminiscencia, que es la capacidad del material para emitir luz cuando es excitado por una fuente de luz de mayor energía.

Investigadores del laboratorio de Joanna McKittrick, profesor de ciencias de los materiales en la Escuela de Ingeniería Jacobs, luego descubrió la receta necesaria para hacer el nuevo fósforo. También confirmaron las propiedades de emisión y absorción de luz previstas del fósforo en el laboratorio.

Un equipo dirigido por el profesor de ciencia de materiales Won Bin Im en la Universidad Nacional de Chonnam en Corea optimizó la receta de fósforo para la fabricación industrial y construyó prototipos de LED blancos con el nuevo fósforo. Evaluaron los LED utilizando el índice de reproducción cromática (CRI), una escala que clasifica de 0 a 100 la precisión con la que aparecen los colores bajo una fuente de luz. Muchos LED comerciales tienen valores de CRI de alrededor de 80. Los LED fabricados con el nuevo fósforo produjeron valores de CRI superiores a 90.

La búsqueda computacional de un nuevo material

Gracias al enfoque computacional desarrollado por el equipo de Ong, el descubrimiento del fósforo tomó solo tres meses, un período de tiempo corto en comparación con los años de experimentos de prueba y error que generalmente se necesitan para descubrir un nuevo material.

"Los cálculos son rápidos, escalable y barato. Usando computadoras, podemos examinar rápidamente miles de materiales y predecir candidatos para nuevos materiales que aún no se han descubierto, "Dijo Ong.

Ong, quien dirige el Laboratorio Virtual de Materiales y es miembro de la facultad en el Centro de Energía y Energía Sostenible en UC San Diego, utiliza una combinación de cálculos de alto rendimiento y aprendizaje automático para descubrir materiales de próxima generación para aplicaciones energéticas, incluidas las baterías, pilas de combustible y LED. Los cálculos se realizaron utilizando el entorno de descubrimiento de ingeniería y ciencia extrema de la National Science Foundation en el San Diego Supercomputer Center.

En este estudio, El equipo de Ong primero compiló una lista de los elementos que ocurren con más frecuencia en materiales de fósforo conocidos. Para sorpresa de los investigadores, encontraron que no hay materiales conocidos que contengan una combinación de estroncio, litio, aluminio y oxigeno, que son cuatro elementos de fósforo comunes. Usando un algoritmo de minería de datos, crearon nuevos fósforos candidatos que contenían estos elementos y realizaron una serie de cálculos de primeros principios para predecir cuál funcionaría bien como fósforo. De 918 candidatos, SLAO emergió como el material líder. Se predijo que sería estable y exhibiría excelentes propiedades de fotoluminiscencia.

"No solo es notable que pudiéramos predecir un nuevo compuesto de fósforo, pero uno que sea estable y que se pueda sintetizar en el laboratorio, "dijo Zhenbin Wang, un doctorado en nanoingeniería candidato en el grupo de investigación de Ong y co-primer autor del estudio.

La principal limitación del fósforo es su eficiencia cuántica menos que ideal (la eficiencia con la que convierte la luz entrante en luz de un color diferente) de aproximadamente el 32 por ciento. Sin embargo, Los investigadores señalan que retiene más del 88 por ciento de su emisión a las temperaturas de funcionamiento típicas de los LED. En LED comerciales, suele haber una compensación con la calidad del color, Ong anotó. "Pero queremos lo mejor de ambos mundos. Hemos logrado una excelente calidad de color. Ahora estamos trabajando en la optimización del material para mejorar la eficiencia cuántica, "Dijo Ong.