Nanostrutture larghe la metà di un filamento di DNA potrebbero migliorare l'efficienza dei diodi a emissione di luce (LED), soprattutto nel "divario verde, " una porzione dello spettro in cui l'efficienza dei LED precipita, simulazioni presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato.

Utilizzando il supercomputer Cray XC30 della NERSC "Edison, I ricercatori dell'Università del Michigan Dylan Bayerl ed Emmanouil Kioupakis hanno scoperto che il nitruro di indio semiconduttore (InN), che tipicamente emette luce infrarossa, emetterà luce verde se ridotto a fili larghi 1 nanometro. Inoltre, semplicemente variandone le dimensioni, queste nanostrutture potrebbero essere adattate per emettere diversi colori di luce, che potrebbe portare a un'illuminazione bianca dall'aspetto più naturale, evitando parte della perdita di efficienza che i LED odierni sperimentano ad alta potenza.

"Il nostro lavoro suggerisce che il nitruro di indio nella gamma di dimensioni di pochi nanometri offre un approccio promettente all'ingegneria efficiente, emissione di luce visibile a lunghezze d'onda personalizzate, " ha detto Kioupakis. I loro risultati, pubblicato online a febbraio come "Emissione di luce polarizzata a lunghezza d'onda visibile con nanofili InN di piccolo diametro, " e sarà presente sulla copertina del numero di luglio di Nano lettere .

I LED sono dispositivi a semiconduttore che emettono luce quando viene applicata una corrente elettrica. I LED di oggi sono creati come microchip multistrato. Gli strati esterni sono drogati con elementi che creano un'abbondanza di elettroni su uno strato e troppo pochi sull'altro. Gli elettroni mancanti sono chiamati buchi. Quando il chip è eccitato, gli elettroni e le lacune vengono spinti insieme, confinati allo strato intermedio del pozzo quantico dove sono attratti a combinarsi, spargendo la loro energia in eccesso (idealmente) emettendo un fotone di luce.

A bassa potenza, I LED a base di nitruro (più comunemente usati nell'illuminazione bianca) sono molto efficienti, convertendo la maggior parte della loro energia in luce. Ma alza la potenza a livelli che potrebbero illuminare una stanza e l'efficienza precipita, il che significa che una frazione più piccola di elettricità viene convertita in luce. Questo effetto è particolarmente pronunciato nei LED verdi, dando origine al termine "green gap".

I nanomateriali offrono la prospettiva allettante di LED che possono essere "coltivati" in matrici di nanofili, punti o cristalli. I LED risultanti potrebbero non solo essere sottili, flessibile e ad alta risoluzione, ma molto efficiente, anche.

"Se riduci le dimensioni di un materiale in modo che siano larghe quanto gli atomi che lo compongono, allora ottieni il confinamento quantistico. Gli elettroni sono schiacciati in una piccola regione di spazio, aumentando l'energia del bandgap, " ha detto Kioupakis. Ciò significa che i fotoni emessi quando gli elettroni e le lacune si combinano sono più energetici, producendo lunghezze d'onda della luce più corte.

La differenza di energia tra gli elettroni e le lacune di un LED, chiamato il bandgap, determina la lunghezza d'onda della luce emessa. Più ampio è il bandgap, minore è la lunghezza d'onda della luce. Il bandgap per bulk InN è piuttosto stretto, solo 0,6 elettronvolt (eV), quindi produce luce infrarossa. Nelle nanostrutture InN simulate di Bayerl e Kioupakis, il bandgap calcolato è aumentato, portando alla previsione che la luce verde sarebbe prodotta con un'energia di 2,3 eV.

"Se riusciamo a ottenere la luce verde comprimendo gli elettroni in questo filo fino a un nanometro, quindi possiamo ottenere altri colori adattando la larghezza del filo, " disse Kioupakis. Un filo più largo dovrebbe produrre giallo, arancione o rosso. Un filo più stretto, indaco o viola.

Questo è di buon auspicio per creare una luce più naturale dai LED. Mescolando il rosso, Gli ingegneri dei LED verdi e blu possono regolare con precisione la luce bianca su più calda, tonalità più piacevoli. Questo metodo "diretto" non è pratico oggi perché i LED verdi non sono efficienti come le loro controparti blu e rosse. Anziché, la maggior parte dell'illuminazione bianca oggi proviene dalla luce LED blu passata attraverso un fosforo, una soluzione simile all'illuminazione fluorescente e non molto più efficiente. Le luci a LED dirette non solo sarebbero più efficienti, ma il colore della luce che producono potrebbe essere sintonizzato dinamicamente per adattarsi all'ora del giorno o al compito da svolgere.

Utilizzando puro InN, piuttosto che strati di materiali in lega di nitruro, eliminerebbe un fattore che contribuisce all'inefficienza dei LED verdi:le fluttuazioni della composizione su scala nanometrica nelle leghe. Questi hanno dimostrato di avere un impatto significativo sull'efficienza dei LED.

Anche, l'utilizzo di nanofili per realizzare i LED elimina il problema del "disallineamento del reticolo" dei dispositivi a strati. "Quando i due materiali non hanno la stessa distanza tra i loro atomi e cresci uno sopra l'altro, mette a dura prova la struttura, che allontana le lacune e gli elettroni, rendendoli meno inclini a ricombinarsi ed emettere luce, " disse Kioupakis, che ha scoperto questo effetto in una ricerca precedente che ha anche attinto alle risorse del NERSC. "In un nanofilo fatto di un unico materiale, non hai questa mancata corrispondenza e quindi puoi ottenere una migliore efficienza, " Lui ha spiegato.

I ricercatori sospettano anche che il forte confinamento quantistico del nanofilo contribuisca all'efficienza comprimendo i fori e gli elettroni più vicini tra loro, un argomento per future ricerche. "Avvicinare gli elettroni e le lacune nella nanostruttura aumenta la loro attrazione reciproca e aumenta la probabilità che si ricombinino ed emettano luce". ha detto Kiupakis.

Mentre questo risultato indica la strada verso una promettente strada di esplorazione, i ricercatori sottolineano che nanofili così piccoli sono difficili da sintetizzare. Però, sospettano che i loro risultati possano essere generalizzati ad altri tipi di nanostrutture, come nanocristalli InN incorporati, che sono già stati sintetizzati con successo nella gamma dei pochi nanometri.

Il nuovissimo supercomputer di punta della NERSC (chiamato "Edison" in onore dell'inventore americano Thomas Edison) è stato determinante nella loro ricerca, ha detto Bayerl. Le migliaia di core di calcolo del sistema e l'elevata memoria per nodo hanno permesso a Bayerl di eseguire calcoli paralleli di massa con molti terabyte di dati memorizzati nella RAM, che ha reso fattibile la simulazione del nanocavo InN. "Abbiamo anche beneficiato molto del supporto esperto del personale NERSC, " ha affermato Bayerl. Burlen Loring del gruppo di analisi di NERSC ha creato visualizzazioni per lo studio, compresa l'immagine di copertina del giornale. I ricercatori hanno anche utilizzato il codice BerkeleyGW open source, sviluppato da Jack Deslippe del NERSC.