Un team guidato da ingegneri dell'Università della California a San Diego ha utilizzato strumenti di data mining e computazionali per scoprire un nuovo materiale al fosforo per i LED bianchi, economico e facile da realizzare. I ricercatori hanno costruito prototipi di lampadine a LED bianche utilizzando il nuovo fosforo. I prototipi hanno mostrato una migliore qualità del colore rispetto a molti LED commerciali attualmente sul mercato.

I ricercatori hanno pubblicato il nuovo fosforo il 19 febbraio sulla rivista Joule .

Fosfori, che sono sostanze che emettono luce, sono uno degli ingredienti chiave per realizzare i LED bianchi. Sono polveri cristalline che assorbono energia dalla luce blu o quasi UV ed emettono luce nello spettro visibile. La combinazione delle diverse luci colorate crea una luce bianca.

I fosfori utilizzati in molti LED bianchi commerciali presentano diversi svantaggi, però. Molti sono fatti di elementi di terre rare, che sono costosi, e alcuni sono difficili da produrre. Producono anche LED con una scarsa qualità del colore.

I ricercatori della UC San Diego e della Chonnam National University in Corea hanno scoperto e sviluppato un nuovo fosforo che evita questi problemi. È costituito principalmente da elementi abbondanti in terra; può essere realizzato con metodi industriali; e produce LED che rendono i colori più vividi e precisi.

Il nuovo fosforo, costituito dagli elementi stronzio, litio, alluminio e ossigeno (una combinazione soprannominata "SLAO") - è stato scoperto utilizzando un sistematico, approccio computazionale ad alto rendimento sviluppato nel laboratorio di Shyue Ping Ong, un professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e capo ricercatore principale dello studio. Il team di Ong ha utilizzato i supercomputer per prevedere SLAO, che è il primo materiale conosciuto fatto degli elementi stronzio, litio, alluminio e ossigeno. I calcoli prevedevano anche che questo materiale sarebbe stato stabile e avrebbe funzionato bene come un fosforo LED. Per esempio, si prevedeva che assorbisse la luce nella regione del vicino UV e del blu e avesse un'elevata fotoluminescenza, che è la capacità del materiale di emettere luce quando eccitato da una sorgente luminosa di energia più elevata.

Ricercatori nel laboratorio di Joanna McKittrick, un professore di scienze dei materiali presso la Jacobs School of Engineering, poi ho capito la ricetta necessaria per fare il nuovo fosforo. Hanno anche confermato le proprietà di assorbimento ed emissione della luce previste dal fosforo in laboratorio.

Un team guidato dal professore di scienze dei materiali Won Bin Im alla Chonnam National University in Corea ha ottimizzato la ricetta del fosforo per la produzione industriale e ha costruito prototipi di LED bianchi con il nuovo fosforo. Hanno valutato i LED utilizzando l'indice di resa cromatica (CRI), una scala che valuta da 0 a 100 l'accuratezza dei colori visualizzati sotto una fonte di luce. Molti LED commerciali hanno valori di CRI intorno a 80. I LED realizzati con il nuovo fosforo hanno prodotto valori di CRI maggiori di 90.

La ricerca computazionale di un nuovo materiale

Grazie all'approccio computazionale sviluppato dal team di Ong, la scoperta del fosforo ha richiesto solo tre mesi, un breve lasso di tempo rispetto agli anni di esperimenti per tentativi ed errori necessari in genere per scoprire un nuovo materiale.

"I calcoli sono veloci, scalabile ed economico. Usando i computer, possiamo vagliare rapidamente migliaia di materiali e prevedere candidati per nuovi materiali che non sono ancora stati scoperti, " ha detto Ong.

Ong, che guida il Materials Virtual Lab ed è membro di facoltà presso il Sustainable Power and Energy Center dell'UC San Diego, utilizza una combinazione di calcoli ad alta produttività e apprendimento automatico per scoprire materiali di nuova generazione per applicazioni energetiche, comprese le batterie, celle a combustibile e LED. I calcoli sono stati eseguiti utilizzando l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment della National Science Foundation presso il San Diego Supercomputer Center.

In questo studio, Il team di Ong ha prima compilato un elenco degli elementi più frequenti nei materiali a base di fosforo conosciuti. Con grande sorpresa dei ricercatori, hanno scoperto che non sono noti materiali contenenti una combinazione di stronzio, litio, alluminio e ossigeno, che sono quattro comuni elementi di fosforo. Utilizzando un algoritmo di data mining, hanno creato nuovi fosfori candidati contenenti questi elementi ed eseguito una serie di calcoli dei primi principi per prevedere quale avrebbe funzionato bene come un fosforo. Su 918 candidati, SLAO è emerso come il materiale principale. Si prevedeva che fosse stabile e mostrasse eccellenti proprietà di fotoluminescenza.

"Non è solo straordinario che siamo stati in grado di prevedere un nuovo composto di fosforo, ma uno che è stabile e può essere effettivamente sintetizzato in laboratorio, " ha detto Zhenbin Wang, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. candidato nel gruppo di ricerca di Ong e co-primo autore dello studio.

Il limite principale del fosforo è la sua efficienza quantica non proprio ideale, ovvero l'efficienza con cui converte la luce in entrata in luce di un colore diverso, di circa il 32%. Però, i ricercatori fanno notare che conserva più dell'88% della sua emissione alle tipiche temperature di esercizio dei LED. Nei LED commerciali, di solito c'è un compromesso con la qualità del colore, Ong ha notato. "Ma vogliamo il meglio di entrambi i mondi. Abbiamo raggiunto un'eccellente qualità del colore. Ora stiamo lavorando per ottimizzare il materiale per migliorare l'efficienza quantica, " ha detto Ong.