Diodi emettitori di luce, o LED, sono quasi onnipresenti nella vita moderna, fornendo la luminosità nei display del telefono, televisori, e luci. Una nuova forma di LED, costituito da una classe di materiali chiamati perovskiti ad alogenuri, promette una maggiore qualità del colore e facilità di produzione, ma è noto che si guasta se sottoposto al tipo di corrente elettrica tipicamente necessaria per usi pratici. Ora, Barry Rand, professore associato di ingegneria elettrica e il Centro Andlinger per l'energia e l'ambiente, e un team di ricercatori ha notevolmente migliorato la stabilità e le prestazioni del materiale gestendo meglio il calore generato dai LED.

La ricerca, pubblicato in Materiale avanzato , individua diverse tecniche che riducono l'accumulo di calore all'interno del materiale, che ne allungava la vita di dieci volte. Quando i ricercatori hanno impedito al dispositivo di surriscaldarsi, sono stati in grado di pompare abbastanza corrente in esso per produrre una luce centinaia di volte più intensa di un tipico display di un telefono cellulare. L'intensità, misurato in watt per metro quadrato, riflette la reale quantità di luce proveniente da un dispositivo, non influenzato dagli occhi umani o dal colore della luce. In precedenza, un tale livello di corrente avrebbe causato il guasto del LED.

L'anticipo stabilisce un nuovo record di luminosità ed espande i limiti di ciò che è possibile per il materiale migliorando le proprietà consolidate dei LED in perovskite e consentendo di sfruttare praticamente tali caratteristiche.

"È la prima volta che dimostriamo che il calore sembra essere il principale collo di bottiglia per questi materiali che operano a correnti elevate, " ha detto Rand. "Ciò significa che il materiale potrebbe essere utilizzato per luci brillanti e display, cosa che non si pensava fosse possibile".

Rand, che è anche direttore associato per le partnership esterne presso l'Andlinger Center, ha affermato che sono ora aperti percorsi chiari per un ulteriore sviluppo, ma ha avvertito che la tecnologia è ancora da 10 a 20 anni dall'uso commerciale su larga scala.

Per contenere l'accumulo di calore Joule all'interno del dispositivo, o il tipo di calore che deriva dalla corrente elettrica, i ricercatori hanno affrontato metodicamente gli elementi chiave. Hanno progettato la composizione del materiale nel dispositivo per renderlo più conduttivo elettricamente e, perciò, generare meno calore durante il funzionamento. Hanno reso i dispositivi più stretti del solito, circa un decimo sottile come una ciocca di capelli umani, per consentire una migliore diffusione del calore. E, hanno aggiunto dissipatori di calore, o componenti che conducono il calore lontano da componenti elettrici sensibili, che aiutava a disperdere il calore.

Una volta che questi elementi chiave erano a posto, hanno impiegato una tattica per "far pulsare" continuamente il dispositivo, o accendilo e spegnilo velocemente, così velocemente che un occhio umano non poteva vedere lo sfarfallio, ma abbastanza tempo perché il dispositivo si riprenda e si raffreddi. Per questa parte del lavoro, hanno sfruttato l'esperienza della coautrice Claire Gmachl, l'Eugene Higgins Professore di Ingegneria Elettrica. Riducendo la quantità di tempo in cui il dispositivo è stato effettivamente acceso, i ricercatori hanno ottenuto miglioramenti di efficienza, e sono stati in grado di far funzionare il dispositivo più a lungo di quanto fosse mai stato segnalato. Rand descrive il lavoro come una guida "how-to" per far funzionare i LED in perovskite alle elevate densità di potenza richieste per l'illuminazione e i display luminosi.

Lianfeng Zhao, primo autore dell'articolo e assegnista di ricerca post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, ha detto che la ricerca contrasta il pensiero prevalente nel campo che le perovskiti intrinsecamente non potrebbero funzionare in modo efficiente ad alte densità di potenza.

L'opera rappresenta una "svolta importante" per il settore, disse Feng Gao, professore presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia presso l'Università di Linköping in Svezia, e un esperto di semiconduttori organici e perovskite per le tecnologie energetiche.

"Ridurre il riscaldamento Joule è una sfida significativa per i LED in perovskite verso l'elevata luminosità e la stabilità a lungo termine, " ha detto Gao. "I risultati sono davvero incoraggianti per la prossima commercializzazione di illuminazione e display basati su materiali perovskite".

Fino ad ora, i ricercatori avevano pensato che i LED in perovskite sarebbero stati utili per produrre solo livelli moderati di luminosità, ma non per l'illuminazione o i display ultra luminosi su telefoni cellulari e schermi di laptop.

"Abbiamo ampliato la portata delle possibili applicazioni, " disse Zhao.

Una delle parti più interessanti dei LED in perovskite è il modo in cui sono fabbricati, che richiede molta meno energia rispetto alla produzione di LED inorganici convenzionali utilizzati oggi per l'illuminazione. I LED convenzionali sono costituiti da un pezzo di un singolo cristallo, che è molto difficile e costoso da produrre e spesso richiede sistemi di vuoto ultraelevato e temperature superiori a 1000 gradi Celsius. I materiali in perovskite sono generalmente realizzati a temperature inferiori a 100 gradi Celsius, e formato da soluzioni in un processo simile alla stampa a getto d'inchiostro. Se la tecnologia dovesse essere commercializzata, probabilmente comporterebbe una significativa riduzione dell'energia richiesta e dell'impronta di carbonio di questi dispositivi elettronici, sia nella fabbricazione che nel funzionamento.

I LED in perovskite producono un puro, colore concentrato, e i ricercatori sperano anche di utilizzare il materiale per costruire a basso costo, laser facili da realizzare. E più in generale, Rand e Zhao hanno affermato che continueranno a studiare come funziona il materiale per comprendere meglio le sue proprietà per ottenere una qualità superiore, durevole, ed efficienti dispositivi.

"Questo è un traguardo piuttosto importante, " ha detto Rand. "Non è importante solo per la nostra ricerca, ma anche per i tecnologi, designer, e l'industria elettronica. Pensiamo che ci sia un futuro brillante per il materiale".