Используя суперкомпьютер NERSC Cray XC30 «Эдисон», исследователи из Мичиганского университета Дилан Байерл и Эммануил Киупакис обнаружили, что полупроводниковый нитрид индия (InN), который обычно излучает инфракрасный свет, будет излучать зеленый свет, если его уменьшить до проволоки шириной 1 нанометр. Более того, просто варьируя свои размеры, эти наноструктуры могут быть адаптированы для излучения разных цветов света, что может привести к более естественному белому освещению, избегая при этом некоторых потерь эффективности, которые современные светодиоды испытывают при высокой мощности.
«Наша работа предполагает, что нитрид индия в диапазоне размеров в несколько нанометров предлагает многообещающий подход к разработке эффективного излучения видимого света с заданными длинами волн», — сказал Киупакис. Их результаты, опубликованные в Интернете в феврале под названием «Излучение поляризованного света в видимой части спектра с помощью InN-нанопроволок малого диаметра», будут представлены на обложке июльского выпуска Nano Letters.Светодиоды — это полупроводниковые устройства, которые излучают свет при приложении электрического тока.
Современные светодиоды созданы в виде многослойных микрочипов. Внешние слои легированы элементами, которые создают много электронов на одном слое и слишком мало — на другом. Недостающие электроны называются дырками. Когда чип находится под напряжением, электроны и дырки сталкиваются вместе, ограничиваются промежуточным слоем квантовой ямы, где они привлекаются для объединения, сбрасывая свою избыточную энергию (в идеале), испуская фотон света.
При малой мощности светодиоды на нитридной основе (чаще всего используемые в белом освещении) очень эффективны, преобразуя большую часть своей энергии в свет. Но увеличьте мощность до уровня, который может осветить комнату, и эффективность резко упадет, а это означает, что меньшая часть электричества преобразуется в свет.
Этот эффект особенно ярко выражен в зеленых светодиодах, отсюда и возник термин «зеленый промежуток».Наноматериалы открывают заманчивую перспективу светодиодов, которые можно «выращивать» в виде массивов нанопроволок, точек или кристаллов. Полученные светодиоды могут быть не только тонкими, гибкими и иметь высокое разрешение, но и очень эффективными.«Если вы уменьшите размеры материала до такой же ширины, как атомы, из которых он состоит, вы получите квантовое ограничение.
Электроны сжимаются в небольшой области пространства, увеличивая ширину запрещенной зоны», — сказал Киупакис. Это означает, что фотоны, испускаемые при объединении электронов и дырок, более энергичны, производя более короткие волны света.Разница в энергии между электронами и дырками светодиода, называемая запрещенной зоной, определяет длину волны излучаемого света.
Чем шире запрещенная зона, тем короче длина волны света. Ширина запрещенной зоны для объемного InN довольно узкая, всего 0,6 электрон-вольт (эВ), поэтому он излучает инфракрасный свет. В смоделированных наноструктурах InN Байерлом и Киупакисом расчетная запрещенная зона увеличилась, что привело к предсказанию, что зеленый свет будет производиться с энергией 2,3 эВ.«Если мы сможем получить зеленый свет, сжав электроны в этом проводе до нанометра, то мы сможем получить другие цвета, изменив ширину провода», — сказал Киупакис.
Более широкий провод должен давать желтый, оранжевый или красный цвет. Более узкая проволока, индиго или фиолетовая.Это хороший предзнаменование для создания более естественного света от светодиодов.
Смешивая красный, зеленый и синий светодиоды, инженеры могут настроить белый свет на более теплые и приятные оттенки. Этот «прямой» метод сегодня непрактичен, потому что зеленые светодиоды не так эффективны, как их синие и красные аналоги. Вместо этого, большая часть белого освещения сегодня исходит из синего светодиодного света, проходящего через люминофор, решение, подобное люминесцентному освещению, но не намного более эффективное.
Прямые светодиодные фонари не только будут более эффективными, но и цвет излучаемого ими света можно будет динамически настраивать в соответствии с временем дня или выполняемой задачей.Использование чистого InN, а не слоев материалов из нитрида сплава, устранило бы один фактор, который способствует неэффективности зеленых светодиодов: наноразмерные флуктуации состава сплавов. Было показано, что они значительно влияют на эффективность светодиодов.
Кроме того, использование нанопроволок для изготовления светодиодов устраняет проблему «несоответствия решеток» многослойных устройств. «Когда два материала не имеют одинакового расстояния между атомами и вы растете один над другим, это приводит к деформации структуры, которая раздвигает дырки и электроны дальше друг от друга, что снижает вероятность их рекомбинации и излучения света», — сказал Киупакис. , который обнаружил этот эффект в предыдущем исследовании, в котором также использовались ресурсы NERSC. «В нанопроволоке, сделанной из одного материала, такого несоответствия нет, и поэтому вы можете добиться большей эффективности», — пояснил он.Исследователи также подозревают, что сильное квантовое ограничение нанопроволоки способствует повышению эффективности, сжимая дырки и электроны ближе друг к другу, что является предметом будущих исследований. «Сближение электронов и дырок в наноструктуре увеличивает их взаимное притяжение и увеличивает вероятность того, что они будут рекомбинировать и излучать свет». — сказал Киупакис.
Хотя этот результат указывает путь к многообещающему направлению исследований, исследователи подчеркивают, что такие маленькие нанопроволоки сложно синтезировать. Однако они подозревают, что их результаты могут быть обобщены на другие типы наноструктур, такие как внедренные нанокристаллы InN, которые уже были успешно синтезированы в диапазоне нескольких нанометров.По словам Байерла, новейший флагманский суперкомпьютер NERSC (названный «Эдисон» в честь американского изобретателя Томаса Эдисона) сыграл важную роль в их исследованиях. Тысячи вычислительных ядер системы и большой объем памяти на узел позволили Bayerl выполнять массовые параллельные вычисления с большим количеством терабайт данных, хранящихся в ОЗУ, что сделало возможным моделирование нанопроволоки InN. «Мы также получили большую пользу от экспертной поддержки сотрудников NERSC», — сказал Байерл.
Бурлен Лоринг из аналитической группы NERSC создал визуализации для исследования, включая изображение обложки журнала. Исследователи также использовали открытый код BerkeleyGW, разработанный Джеком Деслиппе из NERSC.