Le lampade a LED illuminano sempre di più il mondo. Le vendite globali di LED nell'illuminazione residenziale sono aumentate dal 5% del mercato nel 2013 al 40% nel 2018, secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, e altri settori rispecchiano queste tendenze. Un'efficienza energetica e una robustezza senza pari hanno reso le luci a LED apprezzate dai consumatori.

Gli scienziati stanno attualmente utilizzando i supercomputer per ottenere informazioni sulla struttura cristallina di nuovi materiali che potrebbero rendere l'illuminazione a LED ancora più luminosa ed economica.

Nuove proprietà sono state trovate in un promettente materiale LED per l'illuminazione a stato solido di prossima generazione. Uno studio di gennaio 2020 sulla rivista di chimica ACS Omega hanno rivelato prove che indicano un futuro più luminoso per i nitruri cubici III nei dispositivi fotonici ed elettronici.

"La scoperta principale è che i LED di nuova generazione possono, dovrebbe, e farà di meglio, ", ha affermato il coautore dello studio Can Bayram, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. La sua motivazione per studiare i nitruri cubici III deriva dal fatto che il LED di oggi perde gran parte della sua efficienza in condizioni di alta iniezione di corrente che passa attraverso il dispositivo, necessario per l'illuminazione generale.

Il laboratorio di Bayram costruisce cristalli appena scoperti atomo per atomo nella vita reale e nelle loro simulazioni in modo che possano correlare gli esperimenti con la teoria. "Abbiamo bisogno di nuovi materiali scalabili da utilizzare per l'illuminazione di prossima generazione, "Ha detto Bayram. "La ricerca di tali materiali in modo tempestivo e preciso richiede un'immensa potenza di calcolo".

"In questo studio stiamo esplorando le proprietà fondamentali dei materiali di nitruro di indio di gallio e alluminio in fase cubica", ha detto Bayram.

"Ad oggi, La ricerca sui LED verdi a base di nitruro di indio gallio è stata limitata ai dispositivi a fase esagonale presenti in natura. Eppure sono limitati nel potere, efficienza, velocità, e larghezza di banda, in particolare quando emette il colore verde. Questo problema ha alimentato la nostra ricerca. Abbiamo scoperto che i materiali in fase cubica riducono il contenuto di indio necessario per l'emissione di colore verde del dieci percento a causa di un bandgap inferiore. Anche, quadruplicano le dinamiche di ricombinazione radiativa in virtù della loro polarizzazione zero", ha aggiunto il coautore dello studio e studente laureato Yi-Chia Tsai.

Bayram descrive il modello computazionale utilizzato come "confermato sperimentalmente". "Le proprietà dei materiali fondamentali calcolate sono così accurate che i risultati computazionali hanno una corrispondenza quasi uno contro uno con quelli sperimentali, " Egli ha detto.

Ha spiegato che è difficile modellare semiconduttori composti come il nitruro di gallio perché sono composti, a differenza dei semiconduttori elementari come silicio o germanio. Leghe da modellazione dei semiconduttori composti, come nitruro di alluminio e gallio, sono più impegnativi perché, come dice il proverbio, è tutta una questione di posizione, Posizione, Posizione. Le posizioni atomiche relative sono importanti.

"In uno schizzo di una cella unitaria di una classe di cristallografia, Gli atomi di Al e Ga sono intercambiabili. Ma non così nella nostra ricerca computazionale, " ha spiegato Bayram. Questo perché ogni atomo e la sua posizione relativa sono importanti quando si simula la cella elementare, un piccolo volume dell'intero materiale semiconduttore.

"Simuliamo la cella unitaria per risparmiare risorse computazionali e utilizziamo condizioni al contorno adeguate per dedurre le proprietà dell'intero materiale. Pertanto, abbiamo dovuto simulare tutte le possibili combinazioni di celle unitarie e dedurre di conseguenza:questo approccio ha dato la migliore corrispondenza computazionale a quelle sperimentali, " ha detto Bayram. Usando questo approccio, hanno ulteriormente esplorato materiali nuovi anche se non realizzati sperimentalmente.

Per superare le sfide computazionali, Bayram e Tsai hanno richiesto e ottenuto l'assegnazione di supercomputer dall'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE è un singolo sistema virtuale finanziato dalla National Science Foundation che gli scienziati possono utilizzare per condividere in modo interattivo risorse informatiche, dati, e perizia. I sistemi Stampede2 e Ranch allocati da XSEDE presso il Texas Advanced Computing Center hanno supportato le simulazioni e l'archiviazione dei dati di Bayram.

"XSEDE è una risorsa unica. Utilizziamo principalmente l'hardware XSEDE all'avanguardia per consentire i calcoli dei materiali. In primo luogo, Voglio sottolineare che XSEDE è un abilitatore. Senza XSEDE, non abbiamo potuto eseguire questa ricerca. Abbiamo iniziato con le borse di assegnazione Startup poi Research. XSEDE, negli ultimi due anni, ci ha fornito allocazioni per la ricerca del valore di quasi $ 20, anche 000. Una volta implementato, il risultato della nostra ricerca farà risparmiare miliardi di dollari all'anno solo in risparmio energetico, " ha detto Bayram.

Bayram ha sottolineato che i non scienziati possono trarre vantaggio da questa ricerca di base sui prototipi di materiali LED. "Abbiamo tutti bisogno di illuminazione, adesso più che mai. Non abbiamo solo bisogno di illuminazione per vedere. Ne abbiamo bisogno per l'orticoltura. Ci serve per la comunicazione. Ci serve per la medicina. Un aumento dell'efficienza dell'1% nell'illuminazione generale ci farà risparmiare 6 miliardi di dollari all'anno. Solo in termini finanziari, questo è un milione di volte il ritorno sull'investimento, " Egli ha detto.

Per qualsiasi dispositivo a semiconduttore, gli scienziati si sforzano di comprendere le impurità all'interno. 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."

Lo studio, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, " è stato pubblicato sulla rivista ACS Omega on January 30, 2020. The study co-authors are Yi-Chia Tsai and Can Bayram, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at 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.