Diodi emettitori di luce o LED, come sono comunemente noti, hanno lentamente sostituito le lampadine a incandescenza in applicazioni che vanno dai fanali posteriori delle auto agli indicatori sull'elettronica sin dalla loro invenzione negli anni '60.

Evitando il filamento di una lampadina a incandescenza e il vapore di mercurio di una lampadina fluorescente, I LED invece generano luce applicando una tensione ai capi di un semiconduttore. Gli elettroni si combinano con le lacune (luoghi nella struttura cristallina in cui un elettrone potrebbe ma non esiste, rendendoli carichi positivamente), portando all'emissione di fotoni, particelle di luce.

La maggior parte dei LED utilizza semiconduttori realizzati con un materiale chiamato nitruro di gallio (GaN). Questi LED GaN sono affidabili e sicuri, ma hanno lo svantaggio di diventare rapidamente inefficienti man mano che la tensione aumenta, un fenomeno chiamato "caduta di efficienza".

"Più del 10% dell'elettricità generata negli Stati Uniti viene utilizzata per l'illuminazione nei settori commerciale e residenziale. Un passaggio all'uso diffuso dell'illuminazione a LED porterebbe a notevoli risparmi energetici, ma il calo dell'efficienza è un grosso ostacolo, "dice Marco Bernardi, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali presso la Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate al Caltech e corrispondente autore di un recente articolo sulla fonte del calo dell'efficienza pubblicato su Nano Letters.

Il calo dell'efficienza si verifica quando gli elettroni eccitati superano i pozzi quantici profondi nanometri in GaN. I pozzetti sono progettati per intrappolare gli elettroni nella combinazione con i fori. Quando gli elettroni sono troppo energetici per essere intrappolati dai pozzi, fuoriescono dai dispositivi LED senza emettere luce.

"Sono stati proposti diversi modelli per spiegare questa perdita di elettroni, ma tendono a concentrarsi su analisi qualitative che utilizzano l'intuizione per giustificare prove sperimentali, "dice Bernardi.

Utilizzando nuovi metodi di calcolo sviluppati al Caltech, un team guidato da Bernardi ha studiato il GaN a livello atomico e come le vibrazioni del reticolo, il "ronzio" di fondo dei movimenti termici atomici in un solido, influenzino gli elettroni nel materiale. Si sapeva che questo ronzio drena energia sia dagli elettroni che dalle lacune. Però, Bernardi ha scoperto che il drenaggio si verifica più velocemente per le lacune rispetto agli elettroni, un disallineamento che consente agli elettroni di superare i pozzi quantici, sfuggire al GaN senza mai combinarsi con buchi ed emettere luce.

"Il nostro lavoro mostra per la prima volta che l'interazione sempre presente tra gli elettroni con le vibrazioni del reticolo può, da solo, spiegare perché gli elettroni eccitati possono fuoriuscire dallo strato attivo e spiegare le inefficienze nei LED GaN, "dice Bernardi.

Bernardi e i suoi colleghi non hanno ancora finito di indagare sulla caduta del GaN. Prossimo, hanno in programma di studiare come l'abbassamento dipende dalla temperatura e da altre proprietà del materiale.

Lo studio è intitolato "Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Droop".