Esta simulación de un alambre de nitruro de indio de un nanómetro de ancho muestra la distribución de un electrón alrededor de un "agujero" cargado positivamente. El fuerte confinamiento cuántico en estas pequeñas nanoestructuras permite una emisión de luz eficiente en longitudes de onda visibles. Crédito:Visualización:Burlen Loring, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Las nanoestructuras de la mitad de la anchura de una cadena de ADN podrían mejorar la eficiencia de los diodos emisores de luz (LED), especialmente en la "brecha verde, "una parte del espectro donde la eficiencia del LED se desploma, Se han demostrado simulaciones en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Departamento de Energía de EE. UU.
Usando la supercomputadora Cray XC30 de NERSC "Edison, "Los investigadores de la Universidad de Michigan, Dylan Bayerl y Emmanouil Kioupakis, encontraron que el nitruro de indio semiconductor (InN), que normalmente emite luz infrarroja, emitirá luz verde si se reduce a cables de 1 nanómetro de ancho. Es más, simplemente variando sus tamaños, estas nanoestructuras podrían adaptarse para emitir diferentes colores de luz, lo que podría dar lugar a una iluminación blanca de aspecto más natural y, al mismo tiempo, evitar parte de la pérdida de eficiencia que experimentan los LED de hoy en día a alta potencia.
"Nuestro trabajo sugiere que el nitruro de indio en el rango de tamaño de pocos nanómetros ofrece un enfoque prometedor para la ingeniería eficiente, emisión de luz visible en longitudes de onda adaptadas, ", dijo Kioupakis. Sus resultados, publicado en línea en febrero como "Emisión de luz polarizada de longitud de onda visible con nanocables InN de diámetro pequeño, "y aparecerá en la portada de la edición de julio de Nano letras .
Los LED son dispositivos semiconductores que emiten luz cuando se aplica una corriente eléctrica. Los LED de hoy se crean como microchips de varias capas. Las capas externas están dopadas con elementos que crean una abundancia de electrones en una capa y muy pocos en la otra. Los electrones que faltan se denominan huecos. Cuando el chip está energizado, los electrones y los huecos se juntan, confinados a la capa intermedia del pozo cuántico donde se sienten atraídos a combinarse, derramando su exceso de energía (idealmente) emitiendo un fotón de luz.
A baja potencia, Los LED a base de nitruro (más comúnmente utilizados en iluminación blanca) son muy eficientes, convirtiendo la mayor parte de su energía en luz. Pero sube la potencia a niveles que podrían iluminar una habitación y la eficiencia se desploma, lo que significa que una fracción más pequeña de la electricidad se convierte en luz. Este efecto es especialmente pronunciado en los LED verdes, dando lugar al término "brecha verde".
Los nanomateriales ofrecen la tentadora perspectiva de los LED que se pueden "cultivar" en matrices de nanocables, puntos o cristales. Los LED resultantes no solo podrían ser delgados, flexible y de alta resolución, pero muy eficiente, así como.
(Vista alternativa) Esta simulación de un alambre de nitruro de indio de un nanómetro de ancho muestra la distribución de un electrón alrededor de un "agujero" cargado positivamente. El fuerte confinamiento cuántico en estas pequeñas nanoestructuras permite una emisión de luz eficiente en longitudes de onda visibles. Crédito:Burlen Loring, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
"Si reduce las dimensiones de un material para que sea tan ancho como los átomos que lo componen, entonces obtienes el confinamiento cuántico. Los electrones se comprimen en una pequeña región del espacio, aumentando la energía de la banda prohibida, "Dijo Kioupakis. Eso significa que los fotones emitidos cuando los electrones y los huecos se combinan son más energéticos, produciendo longitudes de onda de luz más cortas.
La diferencia de energía entre los electrones y los agujeros de un LED, llamado bandgap, determina la longitud de onda de la luz emitida. Cuanto más ancha sea la banda prohibida, cuanto más corta es la longitud de onda de la luz. La banda prohibida para Bulk InN es bastante estrecha, solo 0,6 electronvoltios (eV), por lo que produce luz infrarroja. En nanoestructuras simuladas de InN de Bayerl y Kioupakis, la banda prohibida calculada aumentó, lo que lleva a la predicción de que la luz verde se produciría con una energía de 2,3 eV.
"Si podemos obtener luz verde reduciendo los electrones de este cable a un nanómetro, luego podemos obtener otros colores adaptando el ancho del cable, ", dijo Kioupakis. Un cable más ancho debería producir amarillo, naranja o rojo. Un alambre más estrecho índigo o violeta.
Eso es un buen augurio para crear una luz de aspecto más natural a partir de LED. Mezclando rojo, Los ingenieros de LED verdes y azules pueden ajustar la luz blanca a más cálida, tonos más agradables. Este método "directo" no es práctico hoy en día porque los LED verdes no son tan eficientes como sus contrapartes azul y rojo. En lugar de, La mayoría de la iluminación blanca actual proviene de la luz LED azul que pasa a través de un fósforo, una solución similar a la iluminación fluorescente y no mucho más eficiente. Las luces LED directas no solo serían más eficientes, pero el color de la luz que producen podría ajustarse dinámicamente para adaptarse a la hora del día o la tarea en cuestión.
Usando puro InN, en lugar de capas de materiales de nitruro de aleación, eliminaría un factor que contribuye a la ineficiencia de los LED verdes:las fluctuaciones de composición a nanoescala en las aleaciones. Se ha demostrado que tienen un impacto significativo en la eficiencia de los LED.
También, el uso de nanocables para fabricar LED elimina el problema de "desajuste de celosía" de los dispositivos en capas. "Cuando los dos materiales no tienen el mismo espacio entre sus átomos y creces uno sobre el otro, tensa la estructura, que separa los huecos y los electrones, haciéndolos menos propensos a recombinarse y emitir luz, "dijo Kioupakis, quien descubrió este efecto en investigaciones anteriores que también se basaron en los recursos de NERSC. "En un nanoalambre de un solo material, no tiene este desajuste y, por lo tanto, puede obtener una mejor eficiencia, " él explicó.
Los investigadores también sospechan que el fuerte confinamiento cuántico del nanoalambre contribuye a la eficiencia al apretar los agujeros y los electrones más juntos. un tema de investigación futura. "Acercar los electrones y los agujeros en la nanoestructura aumenta su atracción mutua y aumenta la probabilidad de que se recombinen y emitan luz". Dijo Kioupakis.
Si bien este resultado señala el camino hacia una prometedora vía de exploración, los investigadores enfatizan que estos nanocables pequeños son difíciles de sintetizar. Sin embargo, sospechan que sus hallazgos pueden generalizarse a otros tipos de nanoestructuras, como nanocristales de InN incrustados, que ya se han sintetizado con éxito en el rango de pocos nanómetros.
La nueva supercomputadora insignia de NERSC (llamada "Edison" en honor al inventor estadounidense Thomas Edison) fue fundamental en su investigación, dijo Bayerl. Los miles de núcleos de cómputo del sistema y la alta memoria por nodo permitieron a Bayerl realizar cálculos masivamente paralelos con muchos terabytes de datos almacenados en la RAM. lo que hizo factible la simulación de nanocables InN. "También nos beneficiamos enormemente del apoyo experto del personal de NERSC, ", dijo Bayerl. Burlen Loring, del grupo de análisis de NERSC, creó visualizaciones para el estudio, incluida la imagen de portada de la revista. Los investigadores también utilizaron el código BerkeleyGW de código abierto, desarrollado por Jack Deslippe de NERSC.
